獨(dú)柱墩彎橋健康狀態(tài)評(píng)估研究

韓保勤

（1.河北瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司，河北石家莊050091；2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測(cè)室，河北 石家莊050091；3.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050091）

1 工程概況

京珠互通匝道橋全長(zhǎng)186m，為鋼箱組合梁橋。橋梁寬度為12m，上部結(jié)構(gòu)為1×40m+2×50m+1×40m鋼混連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土獨(dú)柱墩，肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁位于半徑R=165m的左偏圓曲線內(nèi)，墩臺(tái)徑向布置，中墩設(shè)偏心25cm，橋墩全部采用固結(jié)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)，地震動(dòng)峰值為0.15g。橋梁加固歷史：采用在原橋獨(dú)柱兩側(cè)各增加一個(gè)鋼管柱，使單支點(diǎn)變?yōu)槿c(diǎn)的方法，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固處治。京珠互通匝道橋橋梁全景如圖1所示。

2 橋梁有限元模型分析

圖1 京珠互通匝道橋橋梁全景圖

使用橋梁專業(yè)模擬計(jì)算軟件Midas/Civil，對(duì)獨(dú)柱墩彎橋進(jìn)行計(jì)算分析，主橋結(jié)構(gòu)采用桿系有限元模型，每1m 弧長(zhǎng)劃分一個(gè)單元，混凝土板及鋼主梁采用雙單元共節(jié)點(diǎn)模型，共420 個(gè)單元，214個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋計(jì)算模型如圖2所示。

3 健康狀態(tài)評(píng)估參數(shù)

3.1 靜態(tài)評(píng)定參數(shù)

通過對(duì)曲線鋼混組合梁易出現(xiàn)的病害進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)彎橋易發(fā)生傾覆破壞，并且彎橋傾覆與支點(diǎn)位移、主梁跨中撓度、梁體側(cè)移等因素關(guān)系較大。

圖2 全橋計(jì)算模型

（1）支點(diǎn)位移

利用有限元模型分析支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力前后，支點(diǎn)處的位移變化規(guī)律，并通過對(duì)梁端位移、墩頂位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合模型分析彎橋曲線內(nèi)側(cè)、外側(cè)的位移結(jié)果進(jìn)行橋梁穩(wěn)定性能評(píng)定。

獨(dú)柱式曲線橋由于下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱支承方式（一般為單支點(diǎn)，或者間距較小的雙支點(diǎn)），中間支點(diǎn)抗扭能力弱，由于主梁的扭轉(zhuǎn)傳遞到梁端部時(shí)，會(huì)造成端部各支座橫向受力分布嚴(yán)重不均，還有汽車荷載的偏心布置及其行駛時(shí)的離心力，也會(huì)造成曲線梁橋向外偏轉(zhuǎn)并增加主梁扭矩和扭轉(zhuǎn)變形。由于該橋?yàn)楣探Y(jié)橋墩，并且1#、3#墩處已增加附屬墩，因此，在1#、3#橋墩處附屬墩頂支座處布置豎向位移傳感器監(jiān)測(cè)橋梁扭轉(zhuǎn)變形。

（2）主梁跨中撓度

利用有限元模型分析彎橋跨中處曲線撓度，支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力前后，支點(diǎn)處的位移變化規(guī)律。

大橋梁體撓度監(jiān)測(cè)：根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的布點(diǎn)原則選擇建模（受力分析）計(jì)算得到的撓度最大控制截面作為代表性截面，選擇各跨跨中截面處布置靜態(tài)撓度測(cè)點(diǎn)。

3.2 動(dòng)態(tài)評(píng)定參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)參數(shù)能反映構(gòu)件的損傷狀況及整體性等指標(biāo)，損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特征頻率的變化。橋梁某一階特征頻率的變化幅度與模態(tài)剛度的平方根成正比。因此，可以通過測(cè)試橋梁特征頻率的變化來(lái)反映橋梁結(jié)構(gòu)的整體損傷情況。

4 獨(dú)柱墩彎橋健康狀態(tài)評(píng)估

橋梁健康狀態(tài)綜合評(píng)定需將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或與損傷的橋梁基準(zhǔn)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，制定相應(yīng)的評(píng)估準(zhǔn)則或評(píng)估參數(shù)，才能如實(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁的實(shí)際健康狀態(tài)。

4.1 支點(diǎn)位移指標(biāo)評(píng)估

選擇京珠互通匝道橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)某年年度報(bào)表中支點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，支點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下。

1#墩附屬墩頂支座沉降測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)為：1#墩內(nèi)側(cè)附屬墩頂、1#墩外側(cè)附屬墩頂位移分別為-51.194mm、-63.409mm，位移差為12.215mm。3#墩附屬墩頂支座沉降測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)為：3#墩內(nèi)側(cè)附屬墩頂、3#墩外側(cè)附屬墩頂位移分別為-46.371、-33.718mm，位移差為12.653mm。年度報(bào)表中附屬墩支座位移值均為負(fù)，說明附屬墩頂支座全部脫空。梁體同一橫截面內(nèi)外側(cè)附屬墩支座存在位移差偏大，說明梁體扭轉(zhuǎn)變形過大（向下位移為正，向上位移為負(fù)）。

從上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：1#墩及3#墩附屬墩墩頂支座均處于脫空狀態(tài)，并且梁體同一橫斷面上內(nèi)外側(cè)附屬墩墩頂支座位移差均偏大，梁體橫向扭轉(zhuǎn)變形大，橋梁整體抗傾覆性能較差。

4.2 主梁撓度指標(biāo)評(píng)估

采用獨(dú)柱墩彎橋跨中最大撓度來(lái)表征主梁撓度指標(biāo)，利用實(shí)測(cè)撓度值與規(guī)范限值的比值作為撓度評(píng)估參數(shù)，即撓度評(píng)估參數(shù)為：

式中：fe為跨中撓度實(shí)測(cè)值；fs為設(shè)計(jì)規(guī)范限值。

主梁撓度指標(biāo)評(píng)估準(zhǔn)則如表1所示。

表1 主梁撓度指標(biāo)評(píng)估準(zhǔn)則

依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTJ H11—2004）[1]及《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[2]對(duì)橋梁各跨跨中最大撓度限值進(jìn)行計(jì)算，選擇京珠互通CK0+731 跨線橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)某年年度報(bào)表中撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，京珠互通CK0+731 跨線橋主梁撓度狀態(tài)評(píng)定見表2。

表2 主梁撓度健康狀態(tài)評(píng)估

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出：主梁第一跨跨中撓度健康狀態(tài)評(píng)定結(jié)果為較差，評(píng)分為65.83；第二跨、第三跨跨中撓度健康狀態(tài)評(píng)定結(jié)果為較好，評(píng)分分別為85.87、91.74；第四跨跨中撓度健康狀態(tài)評(píng)定結(jié)果為良好，評(píng)分為99.5，撓度綜合評(píng)分=(65.83+85.87+91.74+99.5)/4=85.735，橋梁主梁撓度評(píng)定標(biāo)度為2。

4.3 主梁模態(tài)指標(biāo)評(píng)估

《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[3]規(guī)定，根據(jù)實(shí)測(cè)的橋梁結(jié)構(gòu)各部件自振頻率與設(shè)計(jì)理論計(jì)算值的比值對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各部件的整體性能和技術(shù)狀況做出評(píng)定，利用主梁自振基頻的變化評(píng)估主梁狀態(tài)。依據(jù)橋梁的技術(shù)狀況等級(jí)，利用《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)分。評(píng)估指標(biāo)如式（2）所示：

式中：fmi為通過實(shí)測(cè)模態(tài)分析獲得的主梁自振頻率；fdi為基于設(shè)計(jì)理論的計(jì)算值。

主梁模態(tài)指標(biāo)評(píng)估準(zhǔn)則如表3所示。

表3 主梁模態(tài)指標(biāo)評(píng)估準(zhǔn)則

自振頻率（特別是基頻）是綜合分析和評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)。本橋的自振頻率采用脈動(dòng)法進(jìn)行測(cè)試，并選取跨中截面測(cè)得的特征頻率作為損傷的識(shí)別標(biāo)識(shí)量。京珠互通CK0+731 跨線橋?qū)崪y(cè)一階頻率為3.16Hz，頻譜圖如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)自功率譜重疊圖

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果顯示，一階頻率為3.47Hz。fmi/fdi=3.16/3.47=0.91，橋梁評(píng)分為62分，橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)評(píng)定標(biāo)度為3。

5 結(jié)論

基于京珠互通匝道橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了橋梁安全狀態(tài)的動(dòng)、靜態(tài)評(píng)定參數(shù)設(shè)置，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了橋梁健康狀態(tài)的動(dòng)、靜態(tài)評(píng)估，依據(jù)評(píng)估結(jié)果可知：橋梁同一獨(dú)柱墩兩側(cè)增加的鋼管柱頂支座位移差偏大，梁體整體扭轉(zhuǎn)變形大，橋梁結(jié)構(gòu)整體抗傾覆性能較差；橋梁主梁撓度評(píng)定標(biāo)度為2，橋梁靜態(tài)技術(shù)狀況為“較好”；橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)評(píng)定標(biāo)度為3，橋梁動(dòng)態(tài)技術(shù)狀況為“較差”。

[1] JTJ H11—2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] JTG/T J21—2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].