基于健康监测系统的重载车辆作用下结构位移响应研究*

承 宇，徐一超，丁彦翔

（1.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；3.连云港市公共资源交易中心，江苏 连云港 222002）

目前，世界上多个国家根据国情，结合公路实际车流情况和大量实测数据，分别在规范中给出了疲劳设计荷载谱或疲劳车辆荷载模型[1-3]。我国对车辆车流分布及车辆疲劳荷载的研究起步较晚。1997年，童乐为等[4]以上海市某桥梁通行车流分布为基础，将运营中典型的车辆荷载频值谱简化为由6种模型车辆组成的疲劳荷载频值谱，为我国研究车辆荷载谱奠定了基础，也为其他桥梁的疲劳损伤验算提供了参考。苏改英[5]通过24h车流信息，基于等效疲劳损伤理论，将计算得到的车辆荷载频值谱简化为标准车，用于天津市桥梁的疲劳分析和设计。然而，由于我国交通现状具有交通量大、超载车占比高等特点，导致各个地区通行车辆分布特性区别较大，直接套用其他地区车辆等效模型并不能获得准确的效果[6-7]。因此，有必要对不同地区通行车流进行分析，以掌握车辆对桥梁影响的规律。

1 基于参数修正的跨中位移影响线

利用MIDAS Civil实体单元、梁单元和索单元，建立安庆长江公路大桥有限元模型，如图1所示。结合成桥荷载试验结果，通过控制主梁刚度、初拉力、边界条件等参数，对大桥有限元模型进行参数修正。对修正后的有限元模型施加竖向荷载，以获得跨中位移影响线，如图2所示。通过对安庆长江公路大桥进行静载试验加载，根据无障碍行车试验方法，用两辆200kN的载重汽车以＜5km/h的速度匀速行驶通过桥梁，可得到主跨跨中位移影响线，其中最小值为-0.069mm，如图3所示。从图2可知，通过有限元模拟得到的主跨跨中最小值为-0.0661mm，误差为4.4%（＜10%），满足精度要求。

图1 有限元模型

图2 桥梁位移影响线

图3 主跨跨中位移试验影响线

2 重车荷载作用下的位移响应

2.1 振荡效应

选取某一时间节点设定为WIM系统的参考节点，利用MATLAB计算参考节点前后500s内所有车辆相对WIM系统的距离，通过两者位置判断车辆是否作用于桥梁上。基于影响线叠加原理计算主跨跨中位移，得到每个时间节点车辆荷载作用下主跨跨中的位移反演值。由于车身轴距与桥梁跨度相比较小，因此将车辆荷载简化成单个集中力，车辆荷载引起的跨中位移误差可忽略不计。

在对GPS监测值与实测荷载反演值对比过程中发现，桥梁在车辆荷载作用下除跨中产生向下的位移外，还存在反向位移现象，即振荡效应。为减少车辆间的相互作用，文章选取车流分布较少时间段（2016年5月29日20：10左右）作为研究重点，在该时间段内桥梁通行车辆如表 1所示。5月29日20：06：07—20：13：24安庆长江公路大桥主跨跨中GPS监测值及反演值时程曲线如图4所示。

表1 2016年5月29日车流信息

图4 2016年5月29日监测值及反演值时程曲线

从表1可以看出，车队主要由方向为北端的车辆组成，因此图中选取下游GPS03监测值作为对比数据。从图4可以看出，GPS监测值与实测荷载反演值时程曲线两者吻合较好，整体变化趋势相同。对图中吻合差别较大处进行编号，分别为1、2、3、4。通过观察可以发现：

（1）2、3、4处均为GPS监测值出现峰值的地方。这是因为桥梁在重车作用下产生向下的变形，当车辆以较快的速度通过后，作用在桥梁上的荷载迅速消失，产生位移的跨中需要回弹恢复原状。由于桥梁刚度较大，导致回弹的位移远远小于作用荷载产生的向下的位移。图中2处的回弹位移为18mm，3处的回弹位移为32mm，4处回弹位移为26mm。结合表1可以看出，2处由40.03t和24.40t车辆引起，3处由91.94t车辆引起，4处由91.38t和92.78t车辆引起。说明车辆荷载越大，引起的回弹位移越大。

（2）结合表1和图4可以看出，130.96t和124.48t车辆在通行后，主跨跨中在回弹的过程中受后续重车的影响，导致图4中并未出现明显的振荡效应。与3处相比，4处主跨跨中回弹位移较小，同样受后续车辆的影响。

（3）图4中1处由65.17t车辆引起，但在GPS监测时程曲线中并未表现出来。同样，在GPS监测曲线中，95.11t的车辆引起的振荡效应也并未出现回弹现象。由于两者位置较近，并且方向相反，因此推测车辆引起向下的位移与桥梁产生回弹的位移抵消，导致GPS监测时程曲线较为平滑，并未出现振荡效应。

2.2 荷载作用

安庆长江公路大桥设计车辆荷载等级采用汽车-超20级，挂车-120。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）规定的车辆分布形式，利用MATLAB对车辆进行编程，将车队施加于影响线上。按照最不利荷载分布形式，将车队分布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，最大车辆荷载作用在影响线的峰值处。考虑桥梁相应的分布及折减系数，计算得到跨中最大位移为349mm。

3 结论

文章以安庆长江公路大桥为工程背景，利用健康监测系统数据结合有限元模型研究了重载交通下桥梁结构的位移响应。通过对比有限元模型与桥梁监测系统实际产生的挠度响应，发现车辆荷载造成的振荡效应和荷载本身存在正比关系，同时车辆间的振荡作用互相影响，乃至抵消。基于此，设定了跨中位移的红色报警阀值，为其他类似桥梁监测系统跨中位移阈值的设定提供了参考。