基于应力包络的桥梁安全评估技术研究

严涛+刘建+冯燕媚

摘 要：为对桥梁进行应力监测与安全评估，提出了基于应力包络的桥梁安全评估方法。通过成桥状态实测应力值与营运期荷载响应应力实测值矢量和，与允许应力包络区间（0.75倍允许抗压应力及0.75倍允许抗拉应力）比较，进行结构是否处于正常工作状态判断（若实测应力在允许应力包络区间内，则结构应力处于正常状态）。研究结果表明，在所采集时间范围内大桥在营运过程中，实测应力总值在允许应力包络范围内，结构应力处于正常状态。采用基于内力包络的桥梁安全评估，可以实现对桥梁进行应力监测和安全评估的要求。

关键词：桥梁；应力监测；应力包络；安全评估

引言

近年来，基于趋于成熟的桥梁设计理论和先进化的桥梁施工技术，桥梁的跨径一次又一次的突破历史，结构形式不断的优化也使得承载能力有了很大的提升。并且，随着我国交通建设事业的大力需求，秉承“安全实用经济美观”原则的超大型桥梁数量正在急速提升。大跨径桥梁在服役期间，受诸多安全因素的影响而影响其安全状态，造成安全隐患。例如恶劣的气候环境、日益增大的交通量、疲劳受力、地震灾难等。因此，有必要对大跨径桥梁进行实时的健康监测。对桥梁的安全状态作出实时评价以保证桥梁的正常运营，这具有很强的研究价值和现实意义[1]。目前，结构健康监测系统已在许多大型桥梁上投入使用。针对所得的监测信息对桥梁的安全作出实时的评估，一些学者和机构在这方面有不同层次的研究，获得的某些成果也是较为准确的[2]。

本文利用应力包络原理，对某大跨径悬索桥进行实时应力监测，通过成桥状态实测应力值与营运期荷载响应应力实测值矢量和，与允许应力包络区间（0.75倍允许抗压应力及0.75倍允许抗拉应力）比较，进行结构是否处于正常工作状态判断（若实测应力在允许应力包络区间内，则结构应力处于正常状态）。研究结果表明，基于应力包络的桥梁安全评估技术满足变形监测的要求。

1 基于应力监测的桥梁安全评估原理和方法

1.1 应力包络原理

在结构设计时，通常会采用容许应力设计法。

σ≤[σ] （1）

式中：σ为计算应力，按线性弹性理论计算得来；[σ]为许用应力，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

在受弯、受扭等应力分布不均匀的构件中，采用容许应力设计法，选取结构典型危险截面，测量其局部的应力，若在容许应力范围之内，则结构是安全的。这种方法基于线弹性理论，是较为准确和安全的[3]。对大型桥梁的安全作出实时评估，需要选择合理准确的评价指标。桥梁结构应力具有可测性、客观性、灵敏性和简明性等特点。同时，内力包络原理也是桥梁设计计算中内力满足要求的基本依据。因此，将应力作为主要评价指标并且运用应力包络的方法来对桥梁进行实时安全评估是可行的[4]。该方法采用表贴传感器安装在大型桥梁各个重要测点位置。将实时测得的应力与恒载、预应力共同作用下的初始应力作为评价指标。评价指标和竣工时或荷载试验实测材料强度为准的容许应力进行包络比较，若在包络区间内，则该桥梁处于安全状态。

1.2 应力监测评估方法

1.2.1 荷载响应应力包络

依据

（2）

在营运期荷载响应下，通过实测应力与理论计算应力的比较，进行结构是否处于正常工作状态判断。故可依据营运期荷载响应，计算理论应力上下限，建立荷载响应应力包络，若实测应力在包络图范围内，则结构应力处于正常状态[5]。

1.2.2 允许应力包络

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》：主桥主梁C55，允许抗压应fc=37MPa，允许抗拉应力fet=3.3MPa；引桥主梁C50，允许抗压应力fc=33.5MPa，允许抗拉应力fet=3.1MPa。针对某大桥，按0.75倍允许应力，作为抗压、抗拉应力包络，进行结构是否处于正常工作状态判断[6]。

2 工程依托

2.1 工程概况

澜沧江大桥全长522m，主桥为跨径380m的单跨悬索桥，祥云岸引桥跨径布置为（13+31）m，临沧岸引桥跨径布置为（31+2×30）m，主缆为跨径布置为（120+380+120）m的三跨结构。

2.2 主梁應力测点布置

对于大跨悬索桥，监测点严格按照1号监测点位于左边第1与第2根吊索中间，6号监测点位于右边第1与第2根吊索中间横梁中点，2号监测点位于左边第7与第8根吊索中间，5号监测点位于右边第8与第9根吊索中间，3号、4号监测点位于桥梁两侧主跨正中间。监测点设备安装在上游桥梁外侧。如图1所示。

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2.3 测点数据分析

本桥1号测点截面与6号测点截面分别在左上倒角、右上倒角、左下倒角、右下倒角共布置了4个应力监测点，其余4个监测截面在此基础上增加顶板中线、底板中线测点。以下列举该悬索桥在一个月的数据采集中每个截面已采集的监测信息及分析评估处理，如图2-图7。

上图表明，依据现场所能采集的应力监测信息，所测各截面各数据均在允许应力包络范围内，结构应力处于正常状态。因此，将应力作为主要评价指标并且运用应力包络的方法来对桥梁进行实时安全评估是可行的。

3 结束语

（1）基于应力包络的桥梁安全评估技术，可以实现对运营过程中的桥梁进行健康评估。

（2）通过成桥状态实测应力值与营运期荷载响应应力实测值矢量和，与允许应力包络区间（0.75倍允许抗压应力及0.75倍允许抗拉应力）比较，进行结构是否处于正常工作状态判断（若实测应力在允许应力包络区间内，则结构应力处于正常状态）。在所采集时间范围内大桥在营运过程中，实测应力总值在允许应力包络范围内，结构应力处于正常状态。

参考文献

[1]刘梦微.基于GPS的桥梁变形监测应用研究[D].武汉：东华理工大学，2013.

[2]周建庭.基于可靠性理论的桥梁远程监测系统安全评价研究[D].重庆：重庆大学，2005.

[3]向楠，覃怡，周建庭，等.基于容许应力包络的连续刚构大桥安全评估技术研究[J].交通科技，2015（2）：68-71.

[4]刘璐.基于内力包络理论的桥梁远程健康监测安全评价模式研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[5]向楠.连续刚构大桥建设-营运期全寿命监测与评估技术[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[6]张方.大跨度预应力混凝土梁桥时变性能及分析方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.

作者简介：严涛（1993-），籍贯：四川，硕士研究生，研究方向：桥梁健康监测与加固。