基于荷载试验的桥梁安全性监测

1、基于荷载试验的桥梁安全性监测摘要：荷载试验是一种重要的安全检测手段，可以为决策者对桥梁的承载能力作出科学地评估，提供有利和直观的依据，可以为新的设计理论、新的结构和新的施工工艺的应用与发展积累实践资料。因此，对桥梁进行整体安全性能分析具有较强的理论意义和广阔的应用前景。在系统调研专业文献的基础上，论文选取舟山市己修建完工的某桥梁工程为工程研究对象，采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法，研究静荷载、动荷载作用下桥梁响应参数的变化，进而对桥梁的安全性做出评价，为确保桥梁运营期间的安全提供科学的数据资料。论文具有重要的理论与应用价值。关键词：荷载试验；桥梁；安全监测1 引言 随着我国经济迅速

2、持续的发展，我国的交通运输业迎来了一个灿烂辉煌的发展时期，我国依靠自己的技术力量，相继成功建成了多座现代化斜拉桥、大跨度悬索桥、连续刚构桥及拱桥。每年都有一大批新材料、新工艺、新结构桥梁建成，其科技含量高，技术性复杂，这标志着我国桥梁技术已进入世界先进行列。截至2005，中国公路总里程已达19万公里，高速公路总里程超过了3.5万公里，公路桥梁总数已超过33万座。与此同时，交通运输量大幅提高，行车密度及车辆载重也日益增大，高架桥梁和跨河桥梁在交通运输工程中的重要性与日俱增【2】。相对于其他基础设施建设，桥梁造价高、投资大，社会效益和影响巨大，为了确保其安全与质量，适应交通运输载重不断发展的需要，

3、使既有桥梁和新建桥梁更加安全地为交通运输事业服务，需在强化施工、质量监督、管理等程序的前提下，对那些影响较大、结构新颖的桥梁进行试验检测【3】，由于自动化技术的发展以及计算机的普遍应用，测试技术、分析手段也取得了巨大进展，借以提供精确可靠的试验数据，实践证明，桥梁试验检测是竣工验收时对桥梁工程内在质量进行评定时最直接和有效的方法和手段，同时也为设计理论、施工技术总结积累经验，为桥梁建设总体水平的提高创造条件,为桥梁竣工验收和桥梁正常运营养护提供技术依据【4】。 2 试验荷载和加载控制原则 2.1 静力试验荷载确定原则 静力试验荷载拟采用单辆重约300kN的三轴载重汽车充当，就某一加载试验项目而

4、言，其所需加载车辆的数量，将根据设计标准活荷载产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利效应值，按下式所确定的原则等效换算而得。 式中： 静力试验荷载效率； 试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的 控制截面内力或变位等的最大计算效应值； 设计标准活载不计冲击荷载作用时产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值； 设计计算取用的冲击系数。 2.2 加载位置与加载工况确定 尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率； 在满足试验荷载效率以及能够达到的试验目的前提下，加载工况进行简化、合并，以尽量减少加载位置； 每一加载工况依据某一加载试验项目为主，兼顾其他加载试

5、验项目。 为了获取结构试验荷载与变位的相关曲线，防止结构加载意外损伤，就某一加载试验项目，其静力试验荷载分成四至五级加载，分两级卸零。加载方式为单次逐级递加到最大荷载，然后分级卸至零荷载。静力试验荷载的加载分级主要依据加载车在某一加载试验项目对应的控制截面内力和变位影响面内纵横向位置的不同以及加载车数量的多少，大约分成设计标准活荷载产生该加载试项目对应的控制截面内力或变位的最不利效应值的40%、60%、80%、100%。 2.3试验加载程序控制 在进行正式加载试验前，用两辆载重加载车对测试对象中跨跨中进行横桥向对称的预加载，预加载试验的持荷时间为20分钟。预加载的目的在于，一方面是使结构进入正

6、常工作状态，另一方面是检查测试系统和试验组织是否工作正常。 预加载卸至零荷载，并在结构得到充分的零荷恢复后，才可进入正式加载试验。正式加载试验分别按加载工况序号逐一进行，完成一个序号的加载工况后，应使结构得到充分的零荷恢复，方可进入下一序号的加载工况。结构零荷充分恢复的标志是，加载试验实测的结构最大变位测点在卸零荷后变位恢复最后一个10分钟的增量小于第1个10分钟增量的15%。 3 实例分析 3.1 工程概况 舟山高架桥为9孔30米预应力混凝土T梁连续刚构桥，桥梁全长281.24延米，桥梁起点桩号K7+536.38，桥梁终点桩号为K7+817.62。 桥跨结构采用跨径为30米预应力混凝土预制T

7、梁通过现浇桥面板及现浇连续段整体化处理，形成930米的连续刚构体系，全桥9跨共1联。桥梁上行、下行桥分别布置，单幅桥宽15.75米。 下部结构共有2个桥台，8个桥墩，桥台为重力式U型桥台，桥墩为分离式钢筋混凝土薄壁Y型墩身，都是扩大基础，要求基底承载力大于500KPa.桥台两侧接挡土墙。 桥面铺装设8厘米厚沥青混凝土铺装，桥面内外侧设钢筋混凝土墙式防撞护栏，两桥台处设置SEJ-160板式橡胶伸缩缝；.5m护栏14.75m行车道板0.5m护栏）。每单幅桥宽由7片无中横隔梁T梁组成，梁距2.22米，预制T梁高1.72米，梁顶面设2单向横坡，现浇桥面板厚度1820厘米。全桥T梁在桥台侧设置30040

8、039四氟划板式橡胶支座28块。桥梁设计荷载为：汽车-超20，挂车-120。 3.2 检测目的与内容 桥梁养护检查情况是了解桥梁基本状况的重要参考资料，本规程所规定的桥梁检测在内容和目的上是不同于桥梁的养护的定期检查。本规程规定桥梁检测是为了桥梁承载能力鉴定提供客观、真实可靠的资料。因此，从某种意义上说，本规程的桥梁检测只关心与桥梁承载能力相关的内容，以具有代表性或最不利的桥跨或桥孔作为检测评定对象，能对全桥或整体的评定结果起到控制作用。 桥梁结构设计时承载能力的计算以构件为分析对象，以控制截面的承载能力情况来反应桥跨结构的承载能力。本规程采取的桥梁的承载能力鉴定方法是考虑检测或试验结果后，针

9、对结构构件进行的以检算分析为主的承载能力鉴定。因此，桥跨结构的检测宜分上下部结构，针对构件进行，以便有效、合理地运用检测结果进行承载能力鉴定工作。 4 桥梁检查 测点应布置在桥梁结构各部件模态振型的峰、谷点，并进行多点多方向的测量。信号记录时应保证足够的记录长度，并检查记录信号的有效性。记录结构振动信号同时应记录地面随机振动信号。信号处理分析时有关参数的确定应遵循对随机信号分析处理的要求。实测的桥梁结构各部件自振频率与设计理论计算值比值可对桥梁结构各部件的整体性能和技术状况作出评定，其评定标准见表1。 表1实测自振频率评定桥梁结构技术状态的评判标准 桥梁部件 桥梁上部结构 桥梁下部结构 评定标

10、度 技术状况 技术状况 1 良好状态 良好状态 2 1.01.1 较好状态 1.01.2 较好状态 3 0.91.0 较差状态 0.951.0 较差状态 4 0.750.90 坏的状态 0.800.95 坏的状态 5 0.75以下 危险状态 0.80以下 危险状态 备注 对缺少资料的中小跨径钢筋混凝土或预应力混凝土桥梁，可按下式计算上部结构一阶竖弯自振频率（标准差：）式中：L为上部结构的计算跨径，单位为米；单位为Hz。 4.1 检查分析 损伤将导致结构特征频率的变化。特征频率的变化有以下特点：1)特征频率的改变和结构整体特性有关，是一种典型的加权型累加值，而不是局域量；2）特征频率的改变是由结

11、构损伤程度和损伤位置共同决定的，不是由单一因素决定的；3）在损伤位置一定时，损伤程度越大，则频率改变量也就越大；4）在损伤程度一定时，损伤位置对频率改变的影响相当复杂，即一些位置的损伤对某些低频成分的影响大些，另一些位置的损伤则对某些高频成分的影响大些，还有一些位置的损伤及其组合，对结构的某些特定的频率的改变不大，甚至没影响。鉴于以上特征频率改变与损伤的程度之间的特点，在引入特征频率作为动态测试中桥梁结构或构件刚度变化标识量时，要做一些处理。为消除损伤或截面损失位置等其他一些因素的影响，只取一些控制截面的特征频率来作为损伤标识量。并规定取特定阶数的特征频率。在跨中位置，振动的能量主要其中在低阶

12、频率上，在桥墩附近，振动的能量分布比较平均，所取的特征频率的阶数要多一些。 4.2 桥梁自振特性测试 桥梁频谱实测结果见图1，实测振型结果见图2。 在本试验中采用频谱图中的半功率谱带宽来计算阻尼比: 式中表示第n阶频率，表示第n阶半功率带宽频率. 图1桥梁横向自振频谱图 图2 桥梁横向1阶振型 从上面的测试结果及分析可以得出: 1、实测竖向基频为0.273Hz，与计算值吻合，其它高阶次的实测频率与计算值的误差相对较大，说明结构动力计算模式和实际结构有一定差异，特别在对梁体多支承体系的模拟应进一步优化； 2、实测一阶阻尼比为0.007，说明结构的阻尼系数较小，衰减较慢，这与结构的形式是一致的； 3、实测结构一阶对称扭转振动频率(0.957)与一阶对称竖弯振动频率(0.277)的比值为3.51，该比值大于3.0，说明桥梁的颤振临界风速大，结构具有良好的抗风能力； 4、实测低阶频率的频带宽范围在0.273-0.957Hz，而运营车辆转向架等悬挂体系的频率一般在2Hz以上，故车辆的频率不会祸合进入低频带区域，也极少出现受迫共振的现象，故桥跨结构具有良好使用性能。 结论 通过桥跨静载试验以及对试验结果的分析结果表明，试验荷载下，桥梁结构变形对称性良好，实际受力状态与理论计算模式基本一致，卸载后应力回零良好，说明结构处于弹性受力状态;各加载工况下的梁体挠度结构