基于荷載試驗(yàn)的橋梁安全性監(jiān)測

1、基于荷載試驗(yàn)的橋梁安全性監(jiān)測摘要：荷載試驗(yàn)是一種重要的安全檢測手段，可以為決策者對橋梁的承載能力作出科學(xué)地評(píng)估，提供有利和直觀的依據(jù)，可以為新的設(shè)計(jì)理論、新的結(jié)構(gòu)和新的施工工藝的應(yīng)用與發(fā)展積累實(shí)踐資料。因此，對橋梁進(jìn)行整體安全性能分析具有較強(qiáng)的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。在系統(tǒng)調(diào)研專業(yè)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，論文選取舟山市己修建完工的某橋梁工程為工程研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究靜荷載、動(dòng)荷載作用下橋梁響應(yīng)參數(shù)的變化，進(jìn)而對橋梁的安全性做出評(píng)價(jià)，為確保橋梁運(yùn)營期間的安全提供科學(xué)的數(shù)據(jù)資料。論文具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：荷載試驗(yàn)；橋梁；安全監(jiān)測1 引言 隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速

2、持續(xù)的發(fā)展，我國的交通運(yùn)輸業(yè)迎來了一個(gè)燦爛輝煌的發(fā)展時(shí)期，我國依靠自己的技術(shù)力量，相繼成功建成了多座現(xiàn)代化斜拉橋、大跨度懸索橋、連續(xù)剛構(gòu)橋及拱橋。每年都有一大批新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)橋梁建成，其科技含量高，技術(shù)性復(fù)雜，這標(biāo)志著我國橋梁技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。截至2005，中國公路總里程已達(dá)19萬公里，高速公路總里程超過了3.5萬公里，公路橋梁總數(shù)已超過33萬座。與此同時(shí)，交通運(yùn)輸量大幅提高，行車密度及車輛載重也日益增大，高架橋梁和跨河橋梁在交通運(yùn)輸工程中的重要性與日俱增【2】。相對于其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，橋梁造價(jià)高、投資大，社會(huì)效益和影響巨大，為了確保其安全與質(zhì)量，適應(yīng)交通運(yùn)輸載重不斷發(fā)展的需要，

3、使既有橋梁和新建橋梁更加安全地為交通運(yùn)輸事業(yè)服務(wù)，需在強(qiáng)化施工、質(zhì)量監(jiān)督、管理等程序的前提下，對那些影響較大、結(jié)構(gòu)新穎的橋梁進(jìn)行試驗(yàn)檢測【3】，由于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，測試技術(shù)、分析手段也取得了巨大進(jìn)展，借以提供精確可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)踐證明，橋梁試驗(yàn)檢測是竣工驗(yàn)收時(shí)對橋梁工程內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定時(shí)最直接和有效的方法和手段，同時(shí)也為設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)，為橋梁建設(shè)總體水平的提高創(chuàng)造條件,為橋梁竣工驗(yàn)收和橋梁正常運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)【4】。 2 試驗(yàn)荷載和加載控制原則 2.1 靜力試驗(yàn)荷載確定原則 靜力試驗(yàn)荷載擬采用單輛重約300kN的三軸載重汽車充當(dāng)，就某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目而

4、言，其所需加載車輛的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利效應(yīng)值，按下式所確定的原則等效換算而得。 式中： 靜力試驗(yàn)荷載效率； 試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的 控制截面內(nèi)力或變位等的最大計(jì)算效應(yīng)值； 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活載不計(jì)沖擊荷載作用時(shí)產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計(jì)算效應(yīng)值； 設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。 2.2 加載位置與加載工況確定 盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率； 在滿足試驗(yàn)荷載效率以及能夠達(dá)到的試驗(yàn)?zāi)康那疤嵯?，加載工況進(jìn)行簡化、合并，以盡量減少加載位置； 每一加載工況依據(jù)某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目為主，兼顧其他加載試

5、驗(yàn)項(xiàng)目。 為了獲取結(jié)構(gòu)試驗(yàn)荷載與變位的相關(guān)曲線，防止結(jié)構(gòu)加載意外損傷，就某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目，其靜力試驗(yàn)荷載分成四至五級(jí)加載，分兩級(jí)卸零。加載方式為單次逐級(jí)遞加到最大荷載，然后分級(jí)卸至零荷載。靜力試驗(yàn)荷載的加載分級(jí)主要依據(jù)加載車在某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力和變位影響面內(nèi)縱橫向位置的不同以及加載車數(shù)量的多少，大約分成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生該加載試項(xiàng)目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位的最不利效應(yīng)值的40%、60%、80%、100%。 2.3試驗(yàn)加載程序控制 在進(jìn)行正式加載試驗(yàn)前，用兩輛載重加載車對測試對象中跨跨中進(jìn)行橫橋向?qū)ΨQ的預(yù)加載，預(yù)加載試驗(yàn)的持荷時(shí)間為20分鐘。預(yù)加載的目的在于，一方面是使結(jié)構(gòu)進(jìn)入正

6、常工作狀態(tài)，另一方面是檢查測試系統(tǒng)和試驗(yàn)組織是否工作正常。 預(yù)加載卸至零荷載，并在結(jié)構(gòu)得到充分的零荷恢復(fù)后，才可進(jìn)入正式加載試驗(yàn)。正式加載試驗(yàn)分別按加載工況序號(hào)逐一進(jìn)行，完成一個(gè)序號(hào)的加載工況后，應(yīng)使結(jié)構(gòu)得到充分的零荷恢復(fù)，方可進(jìn)入下一序號(hào)的加載工況。結(jié)構(gòu)零荷充分恢復(fù)的標(biāo)志是，加載試驗(yàn)實(shí)測的結(jié)構(gòu)最大變位測點(diǎn)在卸零荷后變位恢復(fù)最后一個(gè)10分鐘的增量小于第1個(gè)10分鐘增量的15%。 3 實(shí)例分析 3.1 工程概況 舟山高架橋?yàn)?孔30米預(yù)應(yīng)力混凝土T梁連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長281.24延米，橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K7+536.38，橋梁終點(diǎn)樁號(hào)為K7+817.62。 橋跨結(jié)構(gòu)采用跨徑為30米預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T

7、梁通過現(xiàn)澆橋面板及現(xiàn)澆連續(xù)段整體化處理，形成930米的連續(xù)剛構(gòu)體系，全橋9跨共1聯(lián)。橋梁上行、下行橋分別布置，單幅橋?qū)?5.75米。 下部結(jié)構(gòu)共有2個(gè)橋臺(tái)，8個(gè)橋墩，橋臺(tái)為重力式U型橋臺(tái)，橋墩為分離式鋼筋混凝土薄壁Y型墩身，都是擴(kuò)大基礎(chǔ)，要求基底承載力大于500KPa.橋臺(tái)兩側(cè)接擋土墻。 橋面鋪裝設(shè)8厘米厚瀝青混凝土鋪裝，橋面內(nèi)外側(cè)設(shè)鋼筋混凝土墻式防撞護(hù)欄，兩橋臺(tái)處設(shè)置SEJ-160板式橡膠伸縮縫；.5m護(hù)欄14.75m行車道板0.5m護(hù)欄）。每單幅橋?qū)捰?片無中橫隔梁T梁組成，梁距2.22米，預(yù)制T梁高1.72米，梁頂面設(shè)2單向橫坡，現(xiàn)澆橋面板厚度1820厘米。全橋T梁在橋臺(tái)側(cè)設(shè)置30040

8、039四氟劃板式橡膠支座28塊。橋梁設(shè)計(jì)荷載為：汽車-超20，掛車-120。 3.2 檢測目的與內(nèi)容 橋梁養(yǎng)護(hù)檢查情況是了解橋梁基本狀況的重要參考資料，本規(guī)程所規(guī)定的橋梁檢測在內(nèi)容和目的上是不同于橋梁的養(yǎng)護(hù)的定期檢查。本規(guī)程規(guī)定橋梁檢測是為了橋梁承載能力鑒定提供客觀、真實(shí)可靠的資料。因此，從某種意義上說，本規(guī)程的橋梁檢測只關(guān)心與橋梁承載能力相關(guān)的內(nèi)容，以具有代表性或最不利的橋跨或橋孔作為檢測評(píng)定對象，能對全橋或整體的評(píng)定結(jié)果起到控制作用。 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)承載能力的計(jì)算以構(gòu)件為分析對象，以控制截面的承載能力情況來反應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力。本規(guī)程采取的橋梁的承載能力鑒定方法是考慮檢測或試驗(yàn)結(jié)果后，針

9、對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行的以檢算分析為主的承載能力鑒定。因此，橋跨結(jié)構(gòu)的檢測宜分上下部結(jié)構(gòu)，針對構(gòu)件進(jìn)行，以便有效、合理地運(yùn)用檢測結(jié)果進(jìn)行承載能力鑒定工作。 4 橋梁檢查 測點(diǎn)應(yīng)布置在橋梁結(jié)構(gòu)各部件模態(tài)振型的峰、谷點(diǎn)，并進(jìn)行多點(diǎn)多方向的測量。信號(hào)記錄時(shí)應(yīng)保證足夠的記錄長度，并檢查記錄信號(hào)的有效性。記錄結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)同時(shí)應(yīng)記錄地面隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)處理分析時(shí)有關(guān)參數(shù)的確定應(yīng)遵循對隨機(jī)信號(hào)分析處理的要求。實(shí)測的橋梁結(jié)構(gòu)各部件自振頻率與設(shè)計(jì)理論計(jì)算值比值可對橋梁結(jié)構(gòu)各部件的整體性能和技術(shù)狀況作出評(píng)定，其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表1。 表1實(shí)測自振頻率評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 橋梁部件 橋梁上部結(jié)構(gòu) 橋梁下部結(jié)構(gòu) 評(píng)定標(biāo)

10、度 技術(shù)狀況 技術(shù)狀況 1 良好狀態(tài) 良好狀態(tài) 2 1.01.1 較好狀態(tài) 1.01.2 較好狀態(tài) 3 0.91.0 較差狀態(tài) 0.951.0 較差狀態(tài) 4 0.750.90 壞的狀態(tài) 0.800.95 壞的狀態(tài) 5 0.75以下 危險(xiǎn)狀態(tài) 0.80以下 危險(xiǎn)狀態(tài) 備注 對缺少資料的中小跨徑鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，可按下式計(jì)算上部結(jié)構(gòu)一階豎彎自振頻率（標(biāo)準(zhǔn)差：）式中：L為上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨徑，單位為米；單位為Hz。 4.1 檢查分析 損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特征頻率的變化。特征頻率的變化有以下特點(diǎn)：1)特征頻率的改變和結(jié)構(gòu)整體特性有關(guān)，是一種典型的加權(quán)型累加值，而不是局域量；2）特征頻率的改變是由結(jié)

11、構(gòu)損傷程度和損傷位置共同決定的，不是由單一因素決定的；3）在損傷位置一定時(shí)，損傷程度越大，則頻率改變量也就越大；4）在損傷程度一定時(shí)，損傷位置對頻率改變的影響相當(dāng)復(fù)雜，即一些位置的損傷對某些低頻成分的影響大些，另一些位置的損傷則對某些高頻成分的影響大些，還有一些位置的損傷及其組合，對結(jié)構(gòu)的某些特定的頻率的改變不大，甚至沒影響。鑒于以上特征頻率改變與損傷的程度之間的特點(diǎn)，在引入特征頻率作為動(dòng)態(tài)測試中橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度變化標(biāo)識(shí)量時(shí)，要做一些處理。為消除損傷或截面損失位置等其他一些因素的影響，只取一些控制截面的特征頻率來作為損傷標(biāo)識(shí)量。并規(guī)定取特定階數(shù)的特征頻率。在跨中位置，振動(dòng)的能量主要其中在低階

12、頻率上，在橋墩附近，振動(dòng)的能量分布比較平均，所取的特征頻率的階數(shù)要多一些。 4.2 橋梁自振特性測試 橋梁頻譜實(shí)測結(jié)果見圖1，實(shí)測振型結(jié)果見圖2。 在本試驗(yàn)中采用頻譜圖中的半功率譜帶寬來計(jì)算阻尼比: 式中表示第n階頻率，表示第n階半功率帶寬頻率. 圖1橋梁橫向自振頻譜圖 圖2 橋梁橫向1階振型 從上面的測試結(jié)果及分析可以得出: 1、實(shí)測豎向基頻為0.273Hz，與計(jì)算值吻合，其它高階次的實(shí)測頻率與計(jì)算值的誤差相對較大，說明結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模式和實(shí)際結(jié)構(gòu)有一定差異，特別在對梁體多支承體系的模擬應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化； 2、實(shí)測一階阻尼比為0.007，說明結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)較小，衰減較慢，這與結(jié)構(gòu)的形式是一致的； 3、實(shí)測結(jié)構(gòu)一階對稱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率(0.957)與一階對稱豎彎振動(dòng)頻率(0.277)的比值為3.51，該比值大于3.0，說明橋梁的顫振臨界風(fēng)速大，結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)能力； 4、實(shí)測低階頻率的頻帶寬范圍在0.273-0.957Hz，而運(yùn)營車輛轉(zhuǎn)向架等懸掛體系的頻率一般在2Hz以上，故車輛的頻率不會(huì)禍合進(jìn)入低頻帶區(qū)域，也極少出現(xiàn)受迫共振的現(xiàn)象，故橋跨結(jié)構(gòu)具有良好使用性能。 結(jié)論 通過橋跨靜載試驗(yàn)以及對試驗(yàn)結(jié)果的分析結(jié)果表明，試驗(yàn)荷載下，橋梁結(jié)構(gòu)變形對稱性良好，實(shí)際受力狀態(tài)與理論計(jì)算模式基本一致，卸載后應(yīng)力回零良好，說明結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài);各加載工況下的梁體撓度結(jié)構(gòu)