大跨径连续刚构桥在活载单项作用下的预警级别

吴海军，李 俊，黄友帮，王庆珍，岳 顺

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆市公路局，重庆 401147)

连续刚构桥是预应力混凝土梁式桥之一，它综合了连续梁和T型刚构桥的受力特点。在结构性能上，它保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T型刚构不设支座、不需体系转换和方便施工的优点，而且连续刚构桥很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度能很好地满足了较大跨径桥梁的受力要求，是一种极具生命力的桥梁结构形式。因此，尽管其起步较晚，近10余年来却得到了较快的发展，在主跨100～300 m范围内应用广泛。

桥梁在长期运营过程中，其结构性能衰退和损伤会愈来愈多，程度也会愈来愈严重，使大桥的承载力和耐久性降低，桥梁的安全性及适用性存在日益严重的不确定性。因此，通过建立桥梁监测系统对桥梁结构的受力性能进行监测，并通过分析长期监测数据，对桥梁的安全状态进行评价近年来受到桥梁管养单位的重视[1]。

基于监测数据的桥梁受力性能和安全性评价是桥梁健康监测中的核心难题，笔者以重庆交通科技项目——“重庆市江津长江大桥监测实用技术研究”为依托，结合实桥和相关规范分析研究通过实测活载效应评价大跨径连续刚构桥工作状态的方法。

1 基于实测活载作用效应的结构性能评价方法

对于运营阶段安装的桥梁健康监测系统，其获取的各个监测值的变化主要由活载和温度作用引起，其中活载又占大部分。近年来，有一些研究者通过识别活载作用下的结构振动频率等动力响应的变化来评估结构安全性的变化，但由于混凝土桥梁动力特性的变化对结构损伤的发展不敏感，因此桥梁界对这一方法的适用性存在一定的质疑[2]。

工程经验表明，混凝土桥梁是否开裂及结构损伤的发展情况，主要受活载大小及其分布的影响；此外，近年来众多桥梁的严重垮塌和病害主要受超载车辆的影响，而通过活载作用下结构监测参数的变化来分析桥梁所承受活载效应的大小与分布规律，判断其是否存在超载问题及超载问题的严重程度对于把握桥梁的性能变化具有重要意义。

2 监测数据中活载数据的提取

桥梁运营期间的结构监测数据，包括了活载、温度、监测仪器零漂、温漂偏差等多种因素的影响。为了识别活载对于结构的影响，需要预先找到一种结构上不存在活载的状态，即“零活载”点，通过监测时刻数据与“零活载”点数据的变化来反映活载的影响[3]。多数桥梁在监测数据分析时会将监测仪器安装后某个没有荷载的状态记为“零活载”点或基准点，这种方法难以准确把握温度及仪器漂移带来的问题。

考虑到混凝土桥梁受温度影响的规律，可以考虑将每天中桥梁各部分温度稳定且桥梁与大气温差小的无活载时刻作为“零活载”点[3]。通过对类似桥梁大量监测数据的分析，选择每天凌晨2:00—4:00的监测数据来识别“零活载”点，此时间段的箱内外温差和日照温差对桥梁应力的影响最小，同时此时段也是每天桥上车流量相对较少的时段，容易找到没有活载的时刻。

通过每天识别零活载点作为基准点来处理每天监测数据，从而明显减少了预应力损失、混凝土收缩、徐变和环境变化等时变因素对于监测数据的累积影响，也大大减少和消除了零漂和温漂等因素对于长期监测数据的时间累积影响[4-5]。因此，通过此方法可以为基于活载影响的桥梁健康状态的评判提供良好的数据依据。

3 江津长江大桥概况

江津长江公路大桥建成和通车于1997年，至今已经使用15年。大桥全长1360 m，主桥为140 m + 240 m + 140 m的3跨连续刚构桥，见图1。

图1 江津长江公路大桥主桥桥型布置Fig.1 Bridge layout of Jiangjin Yangtze River Highway Bridge

主桥桥面总宽22 m(中间分隔带1.0 m，行车道2 × 7.75 m，隔离墩2 × 0.5 m，人行道宽2 × 2.0 m，栏杆2 × 0.25 m)；设计荷载：汽-超20级，挂-120，人群3.5 kN/m2；主桥箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，顶板宽22 m，底板宽11.5 m，箱梁顶面翼缘板设置1.5%的双向横坡。

该桥运营12年后，于2009年安装了健康监测系统，在关键截面布置了应力监测系统和裂缝监测系统，同时对全桥箱梁内外的温度进行实时监控。

4 活载单项作用下桥梁健康状态预警级别的研究

大跨径连续刚构桥的应力是反应桥梁健康状态的重要指标，下面以江津大桥监测数据为基础，基于活载效应对结构性能的影响规律，来分析研究基于活载单项作用的结构预警级别，并提出针对大跨径桥梁连续刚构桥的监测指标和预警阈值[6]。

4.1 活载单项作用代表值的含义

由GB/T 50283—1999《公路工程结构可靠度设计统一标准》可知，活载的频遇值是指结构上较频繁出现的，并且是量值较大的作用取值，是可变荷载的代表值之一。对于实测值的荷载频遇值系数的确定，方法1是按在观测期内荷载达到和超越Ψ1Qk期t的次数与观测期t的总观测次数的比值确定；方法2是按在观测期t内荷载达到的超过Ψ1Qk的总和Σti与t的比值Σti/t确定，国际上认为此比值在一般情况下可取值0.05，相当于荷载截口(任意时点)概率密度函数上的0.95分位值。

活载的准永久值是指在结构上经常出现的，且量值较小的荷载取值，也是活载的一个代表值。在规范中，准永久值的确定方法与确定频遇值的方法2相同，国际上认为Σti/t的取值为0.5，相当于荷载截口概率密度函数上的0.5分位值。

4.2 活载单项作用下桥梁应力实测值分析

江津大桥活载作用下的跨中实测应力值是符合非标准的正态概率密度函数分布[3]，通过统计本桥的实测应力数据可以得出相应的正态概率分布图(跨中顶板)，如图2。

图2 活载单项作用下实测跨中顶板应力的正态概率密度函数Fig.2 Normal probability density function diagram of measuredstress of mid-span roof in single live load

4.2.1 在相同可靠指标β下对实测活载应力分析

由图2可知，实测顶板应力的样本均值为μ=0.544 MPa，标准差σ=0.452 MPa。概率密度函数为：

(1)

(2)

(3)

由4.1可知规范标准值、频遇值、准永久值的所对应可靠概率分别为99.99%，95%和50%，经查标准正态函数表得到可靠指标β如表1。

表1 可靠概率对应的可靠指标β

由实测的均值、方差和表1的可靠指标，通过式(3)可计算得到实测应力中的“标准值”“频遇值”“准永久值”效应下的应力值：

4.3 活载单项作用下应力预警阈值的确定

根据前述原则，确定了本桥每天的0活载点，分析提取出一段时间内的活载单项作用下的主跨跨中顶、底板的应力值的变化情况如图3。

图3 跨中顶板、底板应力实测数据分析(活载)

计算分析得到江津大桥活载单项作用下跨中截面应力预警阈值，如表2。

表2 活载单项作用下的跨中应力预警阀值(计算值)

注：拉为正，压为负。

特定时间段内本桥应力的分布范围：A<0.72 MPa，75.0%；0.72 MPa≤B≤1.35 MPa，14.3%；C≥1.35 MPa，10.7%。可见，实际单项活载作用下活载对顶板产生的压应力<0.72 MPa约占有75.0%，压应力>0.72 MPa且<1.35 MPa的约占14.3%,压应力>1.35 MPa的占10.7%。因此，实际活载影响下的应力值基本符合规范的准永久值、频域值、标准值的界定。

5 活载单项作用条件下应力预警级别的提出

参考现行JTG D 60—2004《公路桥涵设计通用规范》关于桥梁应力控制的要求及桥梁正常使用状态的应力限制原则，根据实测最大应力与不同活载作用下计算应力的关系，提出活载单项作用下的应力预警级别如表3。

表3 活载单项作用下桥梁应力预警分级

注：σSM为实测活载最大应力值；σJG为计算活载标准值的应力；σJL为计算活载频遇值的应力；σJS为计算活载准永久值的应力。

当实测活载应力满足不同的应力比较关系时，

对桥梁使用的影响是不同的：

1)S级的预警级别，没有超活载准永久值应力出现，说明桥梁处于一个稳定安全运行状态，换句话来说，桥梁健康状态是稳定和良好的。

2)A级的预警级别，没有超活载频遇值应力出现，能够满足桥梁正常使用的要求。说明桥梁处于稳定安全的运行状态。

3)B级的预警级别，没有超活载标准值应力出现，桥梁满足正常使用的要求。

4)C级的预警级别，实测活载应力超过活载标准值应力，结构存在开裂危险，结构所受荷载超过正常使用允许值。

根据实测应力判断，江津长江大桥在活载单项作用预警级别中处于A级。

6 结 论

1)通过分析基于活载响应进行桥梁安全状态判断方法的现状，提出了以活载单项作用下结构应力响应进行桥梁结构运营状态判断和预警的思路。

2)基于不同活载效应对应的可靠度含义，提出了以设计活载标准值、频遇值及准永久值效应作为活载单项作用预警判断阀值。

3)分析了江津长江大桥实测活载单项作用下应力分布的特点，应用活载单项作用下应力预警值的计算原理得到了其预警阀值，并评估了桥梁实际单项活载效应下的预警级别。

4)提出的思路及方法适用于桥梁健康监测数据的分析和评价。

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Huang Youbang.Study on Practical Health Monitoring System and Safety Evaluation Standard of Long-Span Continuous Rigid-Frame Bridge [D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2012.

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Wang Ruolin.Research on Some Problems of Real-Time and In-Service Inspection and Health Monitoring on Bridge [D].Wuhan: Wuhan University,2005.

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