基于應力包絡的橋梁安全評估技術研究

嚴濤+劉建+馮燕媚

摘 要：為對橋梁進行應力監測與安全評估，提出了基于應力包絡的橋梁安全評估方法。通過成橋狀態實測應力值與營運期荷載響應應力實測值矢量和，與允許應力包絡區間（0.75倍允許抗壓應力及0.75倍允許抗拉應力）比較，進行結構是否處于正常工作狀態判斷（若實測應力在允許應力包絡區間內，則結構應力處于正常狀態）。研究結果表明，在所采集時間范圍內大橋在營運過程中，實測應力總值在允許應力包絡范圍內，結構應力處于正常狀態。采用基于內力包絡的橋梁安全評估，可以實現對橋梁進行應力監測和安全評估的要求。

關鍵詞：橋梁；應力監測；應力包絡；安全評估

引言

近年來，基于趨于成熟的橋梁設計理論和先進化的橋梁施工技術，橋梁的跨徑一次又一次的突破歷史，結構形式不斷的優化也使得承載能力有了很大的提升。并且，隨著我國交通建設事業的大力需求，秉承“安全實用經濟美觀”原則的超大型橋梁數量正在急速提升。大跨徑橋梁在服役期間，受諸多安全因素的影響而影響其安全狀態，造成安全隱患。例如惡劣的氣候環境、日益增大的交通量、疲勞受力、地震災難等。因此，有必要對大跨徑橋梁進行實時的健康監測。對橋梁的安全狀態作出實時評價以保證橋梁的正常運營，這具有很強的研究價值和現實意義[1]。目前，結構健康監測系統已在許多大型橋梁上投入使用。針對所得的監測信息對橋梁的安全作出實時的評估，一些學者和機構在這方面有不同層次的研究，獲得的某些成果也是較為準確的[2]。

本文利用應力包絡原理，對某大跨徑懸索橋進行實時應力監測，通過成橋狀態實測應力值與營運期荷載響應應力實測值矢量和，與允許應力包絡區間（0.75倍允許抗壓應力及0.75倍允許抗拉應力）比較，進行結構是否處于正常工作狀態判斷（若實測應力在允許應力包絡區間內，則結構應力處于正常狀態）。研究結果表明，基于應力包絡的橋梁安全評估技術滿足變形監測的要求。

1 基于應力監測的橋梁安全評估原理和方法

1.1 應力包絡原理

在結構設計時，通常會采用容許應力設計法。

σ≤[σ] （1）

式中：σ為計算應力，按線性彈性理論計算得來；[σ]為許用應力，由規定的材料彈性極限（或極限強度、流限）除以安全系數而得

在受彎、受扭等應力分布不均勻的構件中，采用容許應力設計法，選取結構典型危險截面，測量其局部的應力，若在容許應力范圍之內，則結構是安全的。這種方法基于線彈性理論，是較為準確和安全的[3]。對大型橋梁的安全作出實時評估，需要選擇合理準確的評價指標。橋梁結構應力具有可測性、客觀性、靈敏性和簡明性等特點。同時，內力包絡原理也是橋梁設計計算中內力滿足要求的基本依據。因此，將應力作為主要評價指標并且運用應力包絡的方法來對橋梁進行實時安全評估是可行的[4]。該方法采用表貼傳感器安裝在大型橋梁各個重要測點位置。將實時測得的應力與恒載、預應力共同作用下的初始應力作為評價指標。評價指標和竣工時或荷載試驗實測材料強度為準的容許應力進行包絡比較，若在包絡區間內，則該橋梁處于安全狀態。

1.2 應力監測評估方法

1.2.1 荷載響應應力包絡

依據

（2）

在營運期荷載響應下，通過實測應力與理論計算應力的比較，進行結構是否處于正常工作狀態判斷。故可依據營運期荷載響應，計算理論應力上下限，建立荷載響應應力包絡，若實測應力在包絡圖范圍內，則結構應力處于正常狀態[5]。

1.2.2 允許應力包絡

根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》：主橋主梁C55，允許抗壓應fc=37MPa，允許抗拉應力fet=3.3MPa；引橋主梁C50，允許抗壓應力fc=33.5MPa，允許抗拉應力fet=3.1MPa。針對某大橋，按0.75倍允許應力，作為抗壓、抗拉應力包絡，進行結構是否處于正常工作狀態判斷[6]。

2 工程依托

2.1 工程概況

瀾滄江大橋全長522m，主橋為跨徑380m的單跨懸索橋，祥云岸引橋跨徑布置為（13+31）m，臨滄岸引橋跨徑布置為（31+2×30）m，主纜為跨徑布置為（120+380+120）m的三跨結構。

2.2 主梁應力測點布置

對于大跨懸索橋，監測點嚴格按照1號監測點位于左邊第1與第2根吊索中間，6號監測點位于右邊第1與第2根吊索中間橫梁中點，2號監測點位于左邊第7與第8根吊索中間，5號監測點位于右邊第8與第9根吊索中間，3號、4號監測點位于橋梁兩側主跨正中間。監測點設備安裝在上游橋梁外側。如圖1所示。

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2.3 測點數據分析

本橋1號測點截面與6號測點截面分別在左上倒角、右上倒角、左下倒角、右下倒角共布置了4個應力監測點，其余4個監測截面在此基礎上增加頂板中線、底板中線測點。以下列舉該懸索橋在一個月的數據采集中每個截面已采集的監測信息及分析評估處理，如圖2-圖7。

上圖表明，依據現場所能采集的應力監測信息，所測各截面各數據均在允許應力包絡范圍內，結構應力處于正常狀態。因此，將應力作為主要評價指標并且運用應力包絡的方法來對橋梁進行實時安全評估是可行的。

3 結束語

（1）基于應力包絡的橋梁安全評估技術，可以實現對運營過程中的橋梁進行健康評估。

（2）通過成橋狀態實測應力值與營運期荷載響應應力實測值矢量和，與允許應力包絡區間（0.75倍允許抗壓應力及0.75倍允許抗拉應力）比較，進行結構是否處于正常工作狀態判斷（若實測應力在允許應力包絡區間內，則結構應力處于正常狀態）。在所采集時間范圍內大橋在營運過程中，實測應力總值在允許應力包絡范圍內，結構應力處于正常狀態。

參考文獻

[1]劉夢微.基于GPS的橋梁變形監測應用研究[D].武漢：東華理工大學，2013.

[2]周建庭.基于可靠性理論的橋梁遠程監測系統安全評價研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[3]向楠，覃怡，周建庭，等.基于容許應力包絡的連續剛構大橋安全評估技術研究[J].交通科技，2015（2）：68-71.

[4]劉璐.基于內力包絡理論的橋梁遠程健康監測安全評價模式研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[5]向楠.連續剛構大橋建設-營運期全壽命監測與評估技術[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[6]張方.大跨度預應力混凝土梁橋時變性能及分析方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.

作者簡介：嚴濤（1993-），籍貫：四川，碩士研究生，研究方向：橋梁健康監測與加固。