基于结构安全监测系统数据分析的组合梁斜拉桥结构安全评估

郭书峰，王通，要世乾

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；2.浙江舟山北向大通道有限公司，浙江 舟山316000）

1 引言

荷载试验是对桥梁结构工作状态进行直接测试的一种鉴定手段[1]。成桥荷载试验是验证桥梁结构是否满足设计要求和规范要求，是否可交付使用的依据。目前，还没有基于结构安全监测系统对桥梁成桥阶段结构安全评估的相关研究[2]。本文以某组合梁斜拉桥为例，对结构安全监测系统与成桥荷载试验数据进行对比分析，从而检验运营期桥梁结构安全监测系统的可靠性，对结构安全监测系统设备进行标定，同时对桥梁结构安全监测系统同步采集的荷载试验期间的结构响应数据与荷载试验结果相互验证，为后续桥梁结构安全监测系统的优化设计提供参考。

2 工程概况

某大桥设桥跨布置为57m+108m+340m+108m+57m，总长670m，上部结构为双塔结合梁斜拉桥，主塔采用钻石形索塔，斜拉索采用中央索面布置。标准宽度桥面布置为27.5m，边跨桥面宽度由27.5m渐变为35.5m，双向四车道，设计速度为80km/h，公路等级为高速公路，设计荷载为公路-Ⅰ级，通航船舶为500t级杂货船，抗震烈度为Ⅶ度。

3 桥梁静载试验

3.1 测试控制部位

根据主桥斜拉桥结构分析计算结果，在全桥范围内选取S1～S8共8个控制部位（断面），如图1所示。结合运营期安全监测系统测点布置，本文从上述8个断面中选取S2、S6、S7 3个控制部位作为安全监测系统在荷载实验中的控制截面。

图1主桥斜拉桥静载试验测试部位示意图

3.2 测试项目及加载工况

综合考虑荷载试验与运营期结构安全监测系统测点布置情况，本文从以下2个测试项目，2种工况，进行荷载试验与运营期结构安全监测系统测试结果比对分析。

测试项目包括：（1）主梁控制截面在试验荷载作用下的挠度；（2）塔顶截面在试验荷载作用下的水平位移；（3）斜拉索在试验荷载作用下的索力增量。

加载工况：工况1：主梁中跨跨中S2断面最大挠度加载；主梁中跨跨中附近S3断面正弯矩加载（分级1，1/2满载）；工况2：主梁中跨跨中S2断面最大挠度加载主梁中跨跨中附近S3断面正弯矩加载（满载）。

4 桥梁静载试验结果分析

4.1 主梁挠度数据分析

工况1和工况2作用下，从主梁测点竖向变形实测值与理论计算值的比较可知，试验中主梁左、右幅的变形协调。各加载工况中主要测点的实测值小于理论计算值，监测系统测点校验系数为0.81～0.91，荷载试验校验系数为0.48～0.98。

4.2 结构空间变位数据分析

对工况1和工况2作用下塔顶纵向位移数据进行分析，塔顶纵向位移数据以岑港向富翅侧方向为正、反之为负。监测系统索塔变位的实测值小于理论计算值，两者的比值为0.36～0.51；荷载试验实测值也均小于理论计算值，两者比值为0.58～0.86。

工况1作用下，主梁跨中中央分隔带处GNSS测点竖向变形实测值分别为-85mm（监测系统）、-86mm（荷载试验）、-92mm（理论值），位移数据以向上为正，向下为负。监测系统与荷载试验所测数据校验系数分别为0.92和0.93。主要测点的实测值均小于理论计算值。

工况2作用下，主梁跨中中央分隔带处GNSS测点竖向变形实测值分别为-171mm（监测系统）、-170mm（荷载试验）、-183mm（理论值），位移数据以向上为正，向下为负。监测系统与荷载试验所测数据校验系数分别为0.93和0.92。主要测点的实测值均小于理论计算值。

4.3 拉索索力数据分析

在工况2作用下索力测试截面岑港侧右幅MC19′索力增量分别为387kN（监测系统）、407kN（荷载试验）、434kN（理论值），岑港侧右幅MC18′索力增量分别为447kN（监测系统）、426kN（荷载试验）、448kN（理论值）。实测值和理论计算值基本吻合，最大索力增量为447kN。

5 桥梁动力特性参数

动力特性包括结构的自振频率、振型、阻尼比，由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质、构造连接等因素决定，与外载荷无关。通过动力特性试验和理论分析来了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，分析桥梁病害对桥梁各项性能的影响，为桥梁运营管理及改造提供科学的依据。

5.1 试验加载工况

试验时，加载车分别以车速为10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 4种工况匀速通过桥跨结构，由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用，从而使桥梁结构产生振动。通过动力测试系统测定测试截面处的振动加速度时间历程曲线。

5.2 桥梁模态试验结果

模态频率即可通过该归一化曲线过零点的次数和时间确定，阻尼比通过自相关函数曲线的对数递减规律拟合得到，可得到如下结论：（1）主梁各阶振型与实测振型较为吻合，实测频率值与理论计算基本一致。（2）竖向一阶自振频率实测值为分别为0.424Hz，大于竖向一阶自振频率理论计算值0.421Hz，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求。由于自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，因此，该特征参数可作为今后检查的一个参考指标。（3）监测主梁各阶阻尼比为0.25%～0.58%，基本与荷载试验单位提供的实测阻尼比基本一致。

6 结论

1）荷载试验结果与结构安全监测系统实测主梁挠度、空间变位数据均小于理论设计值。

2）索力测试截面索力增量实测值和理论计算值基本吻合，最大索力增量为447kN。

3）主梁各阶振型与实测振型较为吻合，表明结构的整体刚度较大，满足设计要求；由于自振频率是结构的固有特性，反映结构的整体刚度，该特征参数可作为今后检查的一个参考指标。

4）监测主梁各阶阻尼比为0.25%～0.58%，基本与荷载试验实测阻尼比基本一致。