彭偉 王俊博 金耀
四川公路橋樑建設集團有限公司勘察設計分公司 中交公路規劃設計院有限公司
摘 要：
為進一步瞭解大跨度橋樑的結構狀態，本文透過對橋樑荷載試驗期間的監測系統實時監測資料、現場試驗測量資料和大橋有限元模型模擬計算資料的對比挖掘分析，以定量化的形式透過與結構狀態相關的引數指標，評估橋樑的結構狀態。以國內某新建大跨懸索橋為例，透過安裝的健康監測系統採集橋樑在靜載試驗條件下各控制截面的撓度、應變、振動等結構響應實時監測資料，計算橋樑撓度和應變特徵值，採用頻譜分析等方法計算大橋的模態引數，然後基於撓度、應變、模態引數的監測結果與現場試驗測量結果、有限元模型計算結果的對比分析，並參照現場荷載試驗評定方法，評估橋樑的結構狀態。實驗結果表明：監測系統時程資料可觀測到明顯的載入和解除安裝情況，監測系統執行良好，在試驗荷載下橋樑處於彈性工作狀態，整理受力狀態良好，大橋結構整體剛度滿足設計荷載的正常使用要求。作為新建橋樑，該評估結果還可作為橋樑的初始狀態，作為後續評估橋樑結構狀態和健康監測系統工作狀況的參考基準。
關鍵詞：
荷載試驗；監測資料；模態引數；狀態評估；
基金：
國家自然科學基金專案（2019YFC150160）；寧波市科技局專案（2015C110020）；
隨著我國交通基礎設施的快速發展，國內橋樑建設數量急劇增長，截止2019年末全國公路橋樑已達87。83萬座。為了保證橋樑結構的安全運營，結構健康監測系統在我國得到越來越廣泛的應用。監測系統可實時採集、分析評估橋樑結構狀態，及時發現橋樑異常狀況，對橋樑的安全運營具有重大意義。
不少學者已展開了基於健康監測系統評估橋樑結構狀態的研究。2015年周凱等透過極值分析和統計分析等方法分析橋樑位移、靜應變監測資料，建立了其與環境荷載的相關模型，從而提出了在環境荷載作用下的橋樑狀態評估方法。2019年李傳習等為研究車流荷載作用下鋼箱梁橫隔板弧形切口處母材的疲勞特性，以佛山平勝大橋為背景工程，基於動態稱重系統（WIM）監測資料對橋樑服役狀態進行有效評估。
本文首先建立了某懸索大橋結構體系的健康監測系統，包括主樑應變感測，基於GNSS技術的橋樑撓度變形的監測以及結構模態的識別。結合現場荷載試驗期間結構健康監測系統的資料以及對應荷載位置下的主樑變形特徵進行分析。參照現場荷載試驗的評定方法，對健康監測資料進行分析挖掘以評估荷載試驗期間橋樑的承載力情況。該研究方法可供後續評估橋樑結構健康監測系統以及橋樑執行情況參考。
1 橋樑概況
該橋樑為主跨1200m雙塔單跨吊鋼桁梁懸索橋，主纜跨徑佈置為325m+1200m+205m，主樑採用板桁結合式鋼桁梁，桁高為7m。主塔採用門形鋼筋混凝土結構，貴州岸錨碇為重力錨，四川岸錨碇為隧道錨，雙向4車道設計。
2 有限元模型建立
建立大橋有限元模型，計算結構響應理論值，用以與荷載試驗結果和監測結果比較分析評估橋樑結構狀態。結構總體計算採用Midas有限元計算程式進行，建立幾何非線性空間杆系模型，主纜和吊索採用只受拉桿單元模擬，塔和加勁梁採用梁單元模擬，橋面板採用板單元模擬，橋面板縱梁及橫樑採用梁單元模擬，全橋共劃分22692個單元，15243個節點，計算模型如圖1和圖2所示。結構邊界條件為主纜錨固處和塔底為固結，散索鞍處傾斜支撐；加勁梁採用單跨簡支體系，其端部設有豎向和橫橋向水平約束。
圖1 總體計算模型 下載原圖
圖2 鋼桁梁區域性模型 下載原圖
3 荷載試驗概況
3。1 靜載試驗
靜載試驗主要對結構的剛度、強度等進行測試，集中體現為控制截面的位移、應變，根據位移、應變評估橋樑的承載能力。
3。1。1 靜載試驗控制截面和試驗工況
靜載試驗控制截面如圖3所示。圖中將主樑共分為12個測試控制斷面，靜載試驗中共分為6種載入試驗工況，各試驗工況具體資訊如表1所示。
圖3 主要測試斷面位置圖 下載原圖
表1 試驗工況設定一覽表 下載原圖
3。1。2 靜載試驗現場測點佈置
主樑、主纜撓度及塔頂縱向位移採用全站儀進行檢測，橫向佈置3條測線，測點佈置如圖4所示。
3。2 動載試驗
動載試驗主要透過脈動試驗、行車試驗測定橋樑結構在自然狀態下和受迫振動作用下結構的動力響應，分析橋樑的動力特性（頻率和振型等）。本懸索橋前幾階豎彎、橫彎振型理論計算結果如表2所示。
表2 大橋振型頻率理論計算結果 下載原圖
主樑豎向振動測點佈置在中跨16分點，橫向振動測點佈置在中跨8分點，具體的測點佈置如圖5所示。自振特性測定試驗採用的激勵方式為在橋面無任何障礙的情況下，用4輛載重汽車（單輛重約35t）以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車，要求車輛儘可能保持同速、同步行駛，以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h的速度勻速行駛使橋樑產生受迫振動，採集橋跨結構自由振動狀態下代表性部位振動加速度、特徵截面動應變時域訊號，透過頻譜分析等方法得到橋跨結構自振特性引數。
圖4 橋樑變形測點縱向佈置圖/m 下載原圖
圖5 模態測試測點立面佈置圖/cm 下載原圖
3。3 結構健康監測系統的測點佈置
本文主要分析在荷載試驗期間大橋安裝的結構健康監測系統採集的應變、空間變位和振動特性監測資料，並與荷載試驗結果進行對比。監測系統應變、空間變位、振動測點佈置圖如圖6～圖8所示。
圖6 GNSS測點佈置圖 下載原圖
圖7 應變計測點佈置圖 下載原圖
圖8 加速度感測器測點佈置圖 下載原圖
4 試驗結果資料分析
4。1 主樑應變資料分析
大橋健康監測系統應變監測截面為主樑L/4和L/2截面，靜載試驗中的工況2和工況3的載入位置與之對應，因此選取這兩個工況下的應變計監測資料進行分析，判斷應變計工作狀態和鋼桁梁正交異性橋面板的應力情況。試驗結果具體值如表3所示。
在試驗荷載作用下，主樑應變實時監測資料分析結果顯示：（1）荷載試驗期間的主樑應變監測時程資料有明顯的分級載入和分級解除安裝情況，表明監測系統執行正常；（2）解除安裝後結構應變恢復正常，無相對殘餘應變，表明在試驗荷載下，橋樑處於彈性工作狀態；（3）應變監測資料毛刺較多，幅值較小的毛刺可能是干擾訊號噪聲導致，也可能是車輛荷載載入或解除安裝過程中經過測點附近所引起，對於幅值較大的毛刺可能是因為車輛荷載載入或解除安裝時經過測點附近引起較大的變形。
表3 試驗結果值 下載原圖
注：相對殘餘應變=（解除安裝值-初始值）/（滿載值-初始值）
4。2 主樑撓度資料分析
荷載試驗載入期間，大橋主樑撓度、塔頂偏位等結構空間變位荷載試驗和監測結果如表4、表5所示，分析資料可知：（1）荷載試驗期間的結構空間變位監測時程資料有明顯的分級載入和分級解除安裝情況，表明監測系統執行正常；（2）現場試驗測量和監測系統GNSS監測結果對比，兩者基本一致，存在少許相對誤差的原因有兩點，一是現場試驗測量測點位置和GNSS點位有所差異，二是兩者測試裝置方法不同，測量誤差等存在差異；（3）結構空間變位校驗係數均小於1，表明結構工作狀態良好，具有一定的安全儲備；（4）結構相對殘餘變形較小，均小於0。2，表明結構處於良好的彈性工作狀態；（5）監測資料顯示主樑最大豎向位移1。4893m，遠小於規範限值（L/400=1200/400=3m）。
表4 GNSS資料對比 下載原圖
表5 監測系統GNSS結果分析 下載原圖
4。3 主樑模態引數資料分析
基於大橋荷載試驗期間某一天的結構振動響應監測資料，分析識別大橋頻率、振型等模態引數，識別結果如表6所示。
表6 頻率識別結果對比 下載原圖
從結果上看，監測資料識別頻率與荷載試驗結果相比，兩者較為一致，且均大於大橋有限元模型理論計算頻率結果，橋樑整體動力特徵良好。
5 結論
（1）應變和撓度監測資料均能體現明顯的載入和解除安裝過程，振動監測資料有效識別出大橋模態引數，且監測結果與現場試驗測量結果相近，表明監測系統整體執行良好，監測資料真實可靠；
（2）荷載試驗現場試驗測量和健康監測系統均可以獲取大橋結構響應資料，但是監測系統資料具備時序響應特徵，能夠反應整個載入解除安裝過程，獲取資訊更加全面，在資料分析時更具備優勢；
（3）大橋結構響應絕對值、校驗係數、相對殘餘係數均滿足規程要求，大橋頻率實測值均大於理論計算值，表明在試驗荷載下橋樑處於彈性工作狀態，整理受力狀態良好，大橋結構整體剛度滿足公路-I級汽車荷載的正常使用要求；
（4）透過對比現場荷載試驗的評定方法，對健康監測資料進行分析挖掘以評估荷載試驗期間橋樑的承載力情況，試驗結果可供後續評估橋樑結構健康監測系統以及橋樑執行情況作為參考。
參考文獻
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