基于容许应力包络的连续刚构大桥安全评估技术研究

基于容许应力包络的连续刚构大桥安全评估技术研究

向楠1覃怡1周建庭2马惠香2李志刚2

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081；2.重庆交通大学重庆400074)

摘要从应力监测角度出发，借鉴荷载试验应变校验系数的概念，提出了大型桥梁基于监测信息的应力校验系数包络评估技术；在分析活载、温度、初始应力等因素的基础上，研究了大型桥梁基于容许应力包络的安全评估技术。并以主跨240 m的连续刚构大桥重庆丰都龙河特大桥为依托，利用实测数据，完成了该大桥基于应力监测的安全评估。该评估结果与大桥荷载试验检测结果对比分析表明，基于应力“包络”的连续刚构大桥安全评估技术是可行的。

关键词应力包络校验系数安全评估

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.022

收稿日期：2015-01-30

目前，就桥梁安全性评估方法，已有不少研究成果。HitoshiFurta等[1]提出了用遗传算法和神经网络评估损伤的模糊专家系统,能够自动获取模糊规则。KeiKawamura和AyahoMiyamoto[2]建立了根据表观检测和技术规范评定桥梁等级的专家系统,在神经网络中通过反向传播算法进行模糊推理。Y.M.Wang等[3]提出了一种集成AHP-DEA(层次分析法和数据包络分析)原理的桥梁评估方法。黄尚廉等[4-5]提出将可靠度理论应用于桥梁远程监测评价体系。范剑锋等[6-7]以层次分析法为基础，提出了基于模糊层次分析的桥梁健康状态模糊评估方法。王波等[8]研究了以统计及形态特征为指标的桥梁线形监测加权评估方法，可用于大跨度桥梁线形监测的状态评估。鲍鹏等[9]基于失效包络图理论，利用几何思想建立桥梁构件及结构整体失效状态新模型，在直杆系失效包络图理论的基础上，提出了适用于桥梁结构拱杆系的失效包络图及安全评估的方法。

但是由于桥梁结构系统的复杂性，当监测系统建立完成后，如何利用大量的监测数据来分析评估桥梁的安全状态却很少研究。基于此，本文从应力监测角度出发，借鉴荷载试验应变校验系数的概念，提出了大型桥梁基于监测信息的应力校验系数包络评估技术。在分析活载、温度、初始应力等因素的基础上，研究了大型桥梁基于容许应力包络的安全评估技术。并以丰都龙河特大桥为依托，利用建设期施工监控信息和营运期健康监测信息，完成了该大桥基于应力监测的安全评估，并用大桥荷载试验检测结果与该评估结果对比分析。

1借鉴荷载试验检测的“应变校验系数包络”评估技术

(1) 桥梁荷载试验检测的应变校验系数评估方法。为了评定结构整体受力性能，需对桥梁荷载试验结果与理论分析值进行比较，以检验新建桥是否达到设计要求的荷载标准，或判断旧桥的承载能力。比较时可以将结构应变试验值与理论计算值列表进行比较，利用结构在最不利荷载工况作用下主要控制测点的应力实测值与理论值分析值，绘出荷载-应力曲线，并绘出最不利荷载工况作用下控制截面应变(沿高度)分布图，绘制结构裂缝分布图(对裂缝编号注明长度、宽度、初裂荷载以及裂缝发展情况)[10]。为了量化，以及描述试验值与理论分析值比较的结果，引入结构校验系数η：

(1)

式中：Se为试验荷载作用下量测的应变值;Ss为试验荷载作用下的理论计算应变值。

校验系数η是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。不同结构形式的桥梁其值通常不相同。一般要求η≤1，η值越小结构的安全储备越大。η值过大或过小都应该从多方面分析原因。如η值过大，可能说明组成结构的材料强度较低，结构各部分联结性较差，刚度较低等。η值过小，可能说明材料实际强度及弹性模量较高，桥梁的混凝土桥面铺装及人行道等与主梁共同受力，拱桥拱上建筑与拱圈共同作用，支座摩阻力对结构受力的有利影响，计算理论或简化的计算式偏于安全等。试验加载物的称量误差、仪表的观测误差等也对η值有一定影响。

(2) 借鉴荷载试验检测的“应变校验系数包络”评估模式。荷载试验是在已知荷载工况的情况下进行的，桥梁的受力状况明确，对应荷载工况下的理论计算值易于计算，校验系数计算比较客观准确。但是，营运期实测应变是客观的，理论应变由于采用桥梁设计荷载标准计算分析得到，与实测应变不是一一对应关系，所以可以采用“包络”概念来评估桥梁的安全性，如“包络”之内肯定安全，如“包络”之外，则需进一步评估分析，故该方法也是借鉴校验系数概念来进行评估的。

2基于容许应力包络的全寿命安全评估技术

2.1　容许应力包络原理

在结构设计时，通常会采用容许应力设计法。

(2)

式中：σ为计算应力；[σ]为许用应力。

结构构件的σ按荷载标准值以线性弹性理论计算；[σ]由规定的材料弹性极限(或极限强度、流限)除以安全系数而得。

容许应力设计法以线性弹性理论为基础，以构件危险截面的某一点或某一局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。在应力分布不均匀的情况下，如受弯构件、受扭构件或静不定结构，用这种设计方法较安全。

本文结合容许应力的设计方法，结合桥梁全寿命监测，提出基于容许应力的应力包络评估方法。该方法的原理是：用表贴传感器安装时的测点初始应力(包括恒载+预应力共同作用下)加上实测应力和测点容许应力值进行包络比较。容许应力值尽量以竣工时或荷载试验实测材料强度为准。

2.2　评估方法

(1) 预埋、表贴监测数据的处理。①成桥初始阶段应力获取。对建设期预埋传感器应变监测信息进行处理分析，获取营运期表贴传感器安装时预埋传感器的应力σ预埋，温度t预埋；如预埋传感器失效，则利用预埋-表贴监测信息相关性原理，结合表贴数据进行反推预埋应力；②营运期表贴应力监测数据分析。对应预埋测点的表贴监测点的初始应变为ε表初，温度t表初。对所需评估时间段内的监测数据进行分析，获取应变最大值εmax，对应温度tmax。

因此，表贴实测应力为

(3)

同理，可以计算其他时刻表贴应力值。

(2) 基于容许应力的应力包络评估分析。综合预埋监测应力和表贴监测应力可得

(4)

而主梁的容许应力为[11]

(5)

(6)

将计算所得的σ实测，[σ]压，[σ]拉数据绘制出容许应力包络图，参照包络图进行评估。当实测应力在容许压应力和容许拉应力范围内时，处于安全营运状态；当超出其范围内时，桥梁处于危险工作状态。

3工程概况

本次研究所依托的桥梁为重庆市丰石高速公路丰都龙河特大桥。龙河特大桥全桥共6联：4×40m+3×40m+3×40m+127m+240m+127m+4×40m+3×40m，其中主桥为127m+240m+127m的三跨预应力混凝土连续刚构，下部结构采用双肢变截面矩形空心墩。引桥左右两岸分别为4×40m，3×40m，3×40m和4×40m，3×40m后张预应力混凝土T梁，先简支后连续。下部采用双柱式桥墩、空心墩，以及重力式U形桥台，扩大基础，桥面宽24.0m。桥梁采用分幅设计。

3.1　测点布置

预埋和表贴应变、温度传感器整体布置示意见图1。

图1　预埋与表贴应变、温度传感器整体布置示意图

3.2　容许应力包络法结果

3.2.1预埋、表贴监测数据的处理

(1) 成桥初始阶段应力获取。对建设期预埋传感器应变监测信息进行处理分析后，得到右幅主跨跨中底板4号测点(S223786/T223786)安装表贴传感器时的应力为σ预埋=-11.634MPa，温度6.0 ℃。

(2) 营运期表贴应力监测数据分析。对应主跨跨中4号测点的表贴监测点(S0304/T0308)的初始应变为-207.991，温度21.4 ℃。本文选取2014年3月1日至20日时间段监测数据进行分析(每天取00:30:00，09:30:00，18:30:00 3个时间点)，实测应变最大值-168.700，对应温度15.2 ℃。见图2。

图2　跨中4号测点温度实测应变值

因此，表贴应力为

104/106≈1.395 MPa

同理，可以计算其他时刻表贴应力值。

3.2.2基于容许应力的应力包络评估分析

综合预埋监测应力和表贴监测应力可得：

-11.634+1.395=-10.239 MPa

而主梁的容许应力为

[σ]压≤0.7fck′=0.7×35.5 MPa=24.85 MPa

[σ]拉≤0.4ftk′=0.4×2.74 MPa≈1.10 MPa

容许应力包络图见图3。

图3　主跨跨中4号测点容许应力包络评估图

由图3可见，主跨跨中截面4号测点实测应力在容许压应力和拉应力范围内，处于安全营运状态。

3.3　荷载试验结果

(1) 荷载等级按照公路-I级设计，试验内容见表1。

表1　龙河特大桥(主桥)荷载试验内容

(2) 应变测试结果及分析。由于篇幅有限，仅列举跨中截面最大正弯矩工况下测点应变测试结果，见表2。

表2　跨中截面最大正弯矩工况下腹板与顶板应变测点测试结果

注：1.应变符号定义：正值(+)表示拉应变，负值(-)表示压应变；实测值及理论值均为满载工况下应变值；2.C55混凝土的弹性模量取Ec=35.5 GPa。

4结论

荷载试验的试验结果及分析表明：

(1) 本桥荷载试验的静力试验荷载效率在0.90～1.00范围内，其试验结果能够反映结构现有的技术状态。

(2) 在试验荷载作用下，测试截面主要测点的实测应变值均小于相应的理论计算值，应变校验系数为0.64～0.84，相对残余应变小于《大跨径混凝土桥梁的试验方法》(铁组YC4-4/1978)的规定限值，试验桥跨强度满足设计活载要求。

综上所述，对该桥梁工程的荷载试验结论意见如下：龙河特大桥承载能力满足设计活载标准(公路-I级)要求。