基于荷載試驗和健康監測系統的橋梁安全狀態評估

（山西省交通建設質量安全監督局，山西 太原 030006）

我國大量橋梁使用時間較長，為了有效驗證營運期橋梁結構的安全狀態，養護部門會組織開展大量工作，如定期檢測、荷載試驗、健康監測等。評價橋梁的安全狀態，主要是通過測試橋梁在設計荷載下的響應情況實現，如應變、撓度等，目前的實現方式主要是橋梁荷載試驗，除此之外，橋梁健康監測系統也能夠通過同步采集的方式，獲取荷載試驗期間的結構響應信息，進而評估結構安全狀態。對于健康監測系統而言，通過與荷載試驗結果的橫向對比開展的健康監測系統驗證，可驗證系統性能，檢查安裝施工工作是否符合設計，驗證系統是否達到設計預期，同時為系統優化設計提供數據支持。目前，還沒有基于健康監測系統的荷載試驗相關研究，對荷載試驗、健康監測兩套設備系統的相互驗證關系的研究具有一定的理論研究價值。

一、工程概況

某大橋設計為雙塔斜拉橋，主跨730m，跨度布置為：4×57.5m＋730m+4×57.5m，橋面寬度36m，雙向六車道，設計行車速度60km/h；設計荷載等級：公路-I級；通航標準：一級通航；地震烈度：Ⅵ度，按Ⅶ度設防。

圖1 橋跨布置示意圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置示意圖（單位：cm）

二、測試內容及測點布置

（一）靜載試驗

根據荷載試驗方案，結合橋梁健康監測系統實際情況，確定測試位置，荷載試驗測點斷面圖如圖3所示，監測系統驗證對應編號，如表1所示。限于篇幅，本文僅對截面4-4的應力撓度測試結果進行研討。

截面應變測點布置如圖3所示，撓度測點布置如圖4所示，荷載試驗應變測點位置基本與之保持一致。

表1 測試內容及測試斷面

圖3 健康監測系統鋼箱梁應力測點布置（單位：cm）

圖4 健康監測系統鋼箱梁應力測點布置（單位：cm）

圖5 健康監測系統動載試驗測點布置（單位：cm）

（二）動載試驗

根據荷載試驗方案所述測試內容，在動力荷載試驗的同時同步采集監測數據，對比分析監測數據與計算理論值，主要驗證項目有斜拉橋的動力特性，包括固有頻率、阻尼比；中跨動力響應，主要為沖擊效應。測點布置如圖5所示。

三、有限元模型建立

在靜載試驗前，運用Midas Civil軟件完成橋梁建模，試驗前計算出各控制截面的內力影響線，計算靜力加載，以便比較靜力計算結果與荷載試驗及健康監測系統結果。

主橋有限元模型采用自動考慮恩斯特效應的只受拉單元模擬斜拉索，該單元已自動根據垂度對拉索剛度進行修正。共劃分單元1755個，節點1922個，主梁邊跨混凝土段采用C50和C55混凝土，彈性模量分別為和3.55×104MPa，索塔采用C50混凝土，容重取為26kN/m3，彈性模量為3.45×104MPa。中跨鋼箱梁段采用Q345鋼，彈性模量取206GPa，自重系數考慮15%的提高系數。鋼箱梁和混凝土梁段的橫隔板自重按實施加。設計荷載為：公路-I級，車道布置為雙向六車道。按規范橫向折減系數取0.55，縱向折減系數取為0.95。沖擊系數按規范計算。

全橋空間有限元模型如圖6所示。

該橋的目標荷載為公路-I級，通過有限元分析，橋梁在目標作用下的內力包絡圖，如圖7所示。

圖6 有限元模型

圖7 內力包絡圖（kN.m）

四、試驗測試工況及輪位布置

（一）靜載試驗

本文分析的荷載試驗測試工況如表2所示，主要測試分析跨中截面的應變、撓度情況。根據工況設置情況，將各加載工況進行輪位合并，確定最終加載圖，如圖7所示。

在試驗工況作用下，跨中截面的理論計算結果，如表3、表4所示。

圖7 輪位布置圖（mm）

表2 測試工況及加載效率表

表3 應變計算結果匯總表

表4 撓度計算結果匯總表

（二）動載試驗

橋梁結構動力響應性能試驗，包括跑車試驗、會車試驗和跳車試驗，跑車試驗和會車試驗在20km/h～60km/h勻速跑車工況下完成動應變和加速度測試，根據動應變時程曲線和加速度時程曲線，分析和評定橋梁結構動力響應性能。本文主要分析跑車在40km/h工況下，結構主梁跨中的結構響應情況。

五、測試結果分析

（一）撓度結果分析

試驗荷載作用下，撓度實時監測結果如表5所示。由表可見，校驗系數①、②介于0.95～0.96，表明結構撓度測試結果滿足校驗系數不大于1的要求，且遠小于規范限值（73000/600=122mm），結構變形正常。同時健康監測系統與荷載試驗所測撓度數據相差在1%以內，說明數據真實可靠。

表5 撓度測點計算值、撓度系統監測值及校驗系數

圖8 試驗期間跨中撓度實測變化情況

進一步驗證撓度監測系統的荷載響應情況，作試驗荷載作用下的撓度監測時程曲線，如圖8所示。

由圖8可知，跨中撓度監測測點能夠在每級荷載上橋時作出及時響應，監測數據能夠有效采集到加載全過程的荷載響應信號；卸載后的相對殘余變形約在5%～8%之間，表明橋跨結構在試驗荷載作用下基本處于彈性工作狀態。

（二）應變結果分析

試驗荷載作用下，應變實時監測結果如表6所示。由表可見，校驗系數介于0.71～0.92，滿足校驗系數不大于1的要求，結構受力正常。

為進一步驗證應變監測系統的荷載響應情況，作出試驗荷載作用下的應變監測時程曲線，如圖9所示，跨中應變監測測點能夠在每級荷載上橋時作出及時響應，平均響應時間為1.2s，監測數據能夠有效采集到加載全過程的荷載響應信號；卸載后的實測相對殘余在4%～10%之間，表明橋跨結構在試驗荷載作用下基本處于彈性工作狀態。

表6 應變測點計算值、應變系統監測值及校驗系數

圖9 中跨跨中截面應變測點L7-YB72-6監測時程曲線

（三）跑車試驗結果分析

動荷載下實測的沖擊系數1+μ實設計規范值時，采用1+μ設計理論值，否則應對行車限速。動態應變采集測試沖擊系數的原理：

經過監測系統實測數據計算得出，該橋中跨跨中在50km/h車速下的沖擊系數，如表7所示。

該橋按規范沖擊系數理論計算值為1.05，表7中實測沖擊系數均小于此值，滿足規范要求。

動態應變監測數據時域曲線如圖10所示，健康監測系統應變測點響應明顯，能夠及時捕捉到結構在跑車工況下的應變變化情況。動態撓度監測數據時域曲線如圖11所示，健康監測系統撓度測點響應明顯，撓度傳感器為基于連通管液壓原理的靜力水準傳感器，在跑車經過跨中時能夠明顯看到撓度出現先減小再增大的現象，在跑車出橋后撓度恢復緩慢，這一現象主要是由于撓度系統自身的阻尼導致連通管類液體復位不及時引起的。

結構動態應變監測系統采用光纖光柵應變傳感器，光纖光柵應變傳感器能夠及時反饋結構動態應變響應，而連通管液壓原理的靜力水準傳感器則在動態撓度測試上具有局限性。

圖10 跑車試驗應變時域曲線

圖11 跑車試驗撓度時域曲線

表7 中跨跨中在50km/h車速下的沖擊系數（1+μ）

六、結語

撓度和應變測試結果表明，該橋在試驗工況作用下結構撓度應變測試結果滿足承載能力要求。

橋梁健康監測系統和荷載試驗系統均能準確獲取結構撓度和應變變化情況，但橋梁健康監測系統具有實時連續采集數據的特點，能夠獲取更多的響應信息，在數據分析上更具優勢，健康監測系統所測結構響應數據更具理論研究價值。

跑車試驗測試結果表明，該橋在試驗工況作用下沖擊系數滿足規范要求，橋梁健康監測系統動態撓度和動態應變均響應明顯，但連通管液壓原理的靜力水準傳感器則在動態撓度測試上具有局限性。