CN108982030B - 一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法，该方法属公路工程的检测技术领域，该方法通过准静态等效荷载试验确定加载的效验系数，以动态等效荷载试验及运营荷载试验确定桥梁的静动力力学特性，准静态等效荷载试验包括试验类型的确定、等效车辆的确定和传感器的安装及调试过程；等效荷载试验和运营荷载试验；数据采集及数据处理。本发明提供的方法在实际应用中投入增加较少，但技术附加值高；对交通影响小，可以在不中断交通的前提下进行监测和评估；数据量大但可以处理，信息更加完备，评估准确率高。

Description

一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，具体涉及一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法。

背景技术

目前公路运营桥梁承载力评定主要采用荷载试验和健康监测两种技术手段：荷载试验成本低、结果直观、可靠性高，易于被公路管养部门接受；健康监测技术含量高，测试技术逐渐成熟，但成本高，且评估结论争议较大。荷载试验的发展经历了30年：1988年原交通部发布了《公路旧桥承载能力鉴定方法》；2011年交通运输部发布了《桥梁承载能力评定规程》；2017年发布了《桥梁荷载试验规程》。健康监测的发展经历了15年：2000年前后逐步开始在特大桥上安装传感器系统；2014年住建部发布了《建筑与桥梁结构监测技术规范》；2016年发布了《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》。

然而现有的桥梁荷载试验存在的问题如下：

(1)测试信息量偏少，对桥梁的承载力评估太武断，有些时候已经很多问题的桥梁试验结果也很好！

(2)加载时间太长，正常情况静载一个断面要1个小时左右，一座桥算上动载需要3-4个小时，重要道路无法承受中断交通之痛。例如高速公路、铁路、城市快速路。

(3)仅对活载进行等效加载，其它可变荷载如温度、风等无法测试作用效应。

(4)对实际交通量无法测量，因此不能按照实际运营情况针对性地给出评估结论。

(5)传感器的安装、桥梁计算等工作准备时间较长，但测试时间相对较短，效率很低。

桥梁健康监测存在的问题如下：

(1)重数据采集、传输、存储，无有效统一的评价体系。

(2)在桥梁漫长的使用历程中，传感器的稳定性是一个重大考验。

(3)大多数系统采集的数据很难稳定可靠地预警，更别谈桥梁评估。

(4)长时间传感器的零点漂移问题严重，分不清哪些是传感器的误差，哪些是桥梁的真实响应，一劳永逸地解决异常复杂的问题，其初衷本身就有问题

(5)传感器的寿命与桥梁寿命相比一般前者都远小于后者。

(6)监测技术简单易行，但评估技术涉及反演、优化、数据挖掘、损伤识别、状态评估、承载力评价等诸多难题，一般技术人员很难掌握。

(7)为了节约成本，中小桥的监测采用准静态采样，5min一次的数据采集频率，无法抓住重车转瞬即逝的信息。且低成本系统运维成本极高，往往是重建设轻维护，系统无法长期正常工作。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法，该方法包括桥梁短期监测试验和对应的承载力评定方法两方面的内容，该方法包括以下内容：

准静态等效荷载试验，用以确定加载的效验系数，其内容包括：

Step1、选择STM0、STM7、STM14、STM21、STM28五种试验类别中的一种作为既有桥梁短期监测(Short Term Monitoring，简称STM)的监测模式，上述五种试验类别依据交通运行规律确定，一般选7天作为一个循环，因此有0天、7天、14天、21天和28天五个不同测试时间确定了五种监测模拟并分别简称为STM0、STM7、STM14、STM21、STM28，一定意义下荷载试验相当于STM0，健康监测相当于STM∞；

Step2、利用有限元计算确定等效车辆的数量和间距L2，确定依据为反复调整L2使得所有加载截面的效率系数在规范容许的范围之内，而加载截面的效率系数有以下公式及要求确定：

式中η_i为第i个加载截面的效率系数，S_ei(L₂)为等效荷载作用下截面的内力，S_di为设计荷载作用下的内力。要求计算的效率系数全部在0.9-1.05之间。同时要注意所有断面的效率系数不超过1.05。需要分级加载时，可以调整L2的大小进行合理分级；

Step3、传感器A～G安装及调试，在不中断交通的前提下，测试各个数据的稳定性及数值的大小的合理性，回零特性是否满足要求；

等效荷载试验和运营荷载试验，用以确定桥梁的静动力学特性，其中，

等效荷载试验：中断交通5min(条件不具备时可以选择夜间车辆稀少条件下)，等效荷载在桥头，各个传感器归零，开始采集数据(N、P)；进行等效荷载试验，等效车辆按照预定的间距(桥梁表示间距L2)和设计速度依次通过桥梁，通过完毕立即放行恢复交通；如果需要测试几种速度，则等效车辆反复几次以同样的间距不同的速度通过桥梁；如果需要进行分级加载，则需组织交通分级进行加载；

运营荷载试验：按照选择的STM0、STM7、STM14、STM21、STM28，连续采集数据，方法末尾的数字表示采集的时间(天)，其中STM0表示仅仅进行等效荷载试验；

数据采集及处理：荷载包括等效荷载和实际运营荷载，实际运营荷载包括等效车辆荷载、温度、风(仅仅大跨柔性桥梁结构)、行人荷载(仅仅可上人桥梁，通过视频识别)、疲劳荷载(雨流法)、流水与波浪力(基础在水中情况，评估冲刷)；计算G-H的荷载分布规律(等效车辆荷载、温度、风、行人、流水与波浪力)、计算各个测试量A-F(C除外)的效验系数(对于小于设计荷载的效应，乘以放大系数)、计算A的等效应力幅、计算测试量C的频率与振型、计算测试量A-B的冲击系数，通过这些量对桥梁承载力进行评估，评估公式如下：

式中ξ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的平均值，δ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的最大值。α_i为速度修正系数、β_i为荷载密度修正系数，这两项系数根据具体桥型按经验确定。ω_cij为地i截面第j测点的实测值、ω_dij为地i截面第j测点的计算值。ξ_min、ξ_max为平均校验系数比值的最大最小限制值、δ_max为最大校验系数比值的最大限制值，待本发明应用范围更多，实例更多情况下，可回归得出相关系数。

本发明的有益效果：(1)只需要增加车重测试仪，其它投入与荷载试验一样，技术含量高，附加值高；

(2)10min完成荷载试验3-4小时的工作，影响交通降到最低，可以用于高速公路，市政快速路、铁路等项目上；

(3)短期测试海量数据，评估结果更加准确可靠，每座桥试验报告100页以上；

(4)多维多角度测量桥梁，评估从多方面进行，活载有人工模拟等效荷载，实际运营荷载，本质上是混合荷载试验。可以通过测量的大量数据取平均，更加精确，可以进行真实的残余变形(应变测试)；

(5)重点放在中等桥梁：简支梁、连续梁、连续刚构桥、拱桥、桁架桥，数量占比99％；

(6)测试时间按交通运行规律。一般一个星期一个循环，因此选择7d、14d、21d、28d共四种模式，简称为STM7；STM14；STM21；STM28四种类别的试验；

(7)通过这个技术的研发，可以提升荷载试验的品质，同时也可以为信息化的健康监测系统评估提供技术基础；

(8)根据交通量的实际情况，为了加载到桥梁的设计荷载，可以人工干预运营状态，增加试验车的混入率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的等效荷载计算示意图。

图2是为STM监测系统在桥梁上的测点布置图，A为应变温度监测点、B为变形监测点、C为加速度测点、D为索力测点、E为伸缩缝测点、F为缺陷测点(如裂缝)、G为车速车重测试点(可带视频)、H为风速风向测试点、M为等效车辆(包含等效荷载和实际运营荷载)、N为数据采集存储设备、P为电源。

图3是实施例中既有桥梁的立面图。

图4是实施例中既有桥梁的计算模型图。

图5是实施例中既有桥梁全桥应力监测立面示意图。

图6是实施例中1-1、2-2断面测点布置图。

图7是实施例中3-3断面测点布置图。

图8是实施例中4-4、5-5断面测点布置图。

图9是实施例中既有桥梁瞬时变形测试展布图。

图10是实施例中测点动态应变测试时间历程数据图。

图11是实施例中既有桥梁振型测试结果图(一阶)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

(Ⅰ)准备工作，包括桥梁调查，测点布置，STM0、STM7、STM14、STM21、STM28试验的选择(根据桥梁的大小和外观病害程度选择。桥梁越大、病害越严重，选择末尾数字更大的试验类别)，等效车辆M的选择确定L1，利用有限元计算确定等效车辆的数量和间距L2，确定依据为反复调整L2使得所有加载截面的效率系数在规范容许的范围之内(车队中的前后车辆间距L2可以不同)。

式中η_i为第i个加载截面的效率系数，S_ei(L₂)为等效荷载作用下截面的内力，S_di为设计荷载作用下的内力。要求计算的效率系数全部在0.9-1.05之间。同时要注意所有断面的效率系数不超过1.05。需要分级加载时，可以调整L2的大小进行合理分级。

(Ⅱ)传感器A～G安装及调试，在不中断交通的前提下，测试各个数据的稳定性及数值的大小的合理性，回零特性是否满足要求。

(Ⅲ)中断交通5min(条件不具备时可以选择夜间车辆稀少条件下)，等效荷载在桥头，各个传感器归零，开始采集数据(N、P)。

(IV)进行等效荷载试验，试验加载车按照预定的间距(桥梁表示间距L2)和设计速度依次通过桥梁，通过完毕立即放行恢复交通。如果需要测试几种速度，则加载车反复几次以同样的间距不同的速度通过桥梁。如果需要进行分级加载，则需组织交通分级进行加载。

(V)进行实际运营荷载试验，按照选择的STM0、STM7、STM14、STM21、STM28，连续采集数据，方法末尾的数字表示采集的时间(天)，其中STM0表示仅仅进行等效荷载试验。

(VI)对采集的数据进行处理，荷载包括等效荷载和实际运营荷载，实际运营荷载包括等效车辆、温度、风荷载(仅仅大跨柔性桥梁结构)、行人荷载(仅仅可上人桥梁，通过视频识别)、疲劳荷载(雨流法)、流水与波浪力(基础在水中情况，评估冲刷)。计算G-H的荷载分布规律(车辆活载、温度、风、人群、流水与波浪力)、计算各个测试量A-F(C除外)的效验系数(对于小于设计荷载的效应，乘以放大系数)、计算A的等效应力幅、计算测试量C的频率与振型、计算测试量A-B的冲击系数，通过这些量对桥梁承载力进行评估。评估公式如下：

式中ξ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的平均值，δ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的最大值。α_i为速度修正系数、β_i为荷载密度修正系数，这两项系数根据具体桥型按经验确定。ω_cij为地i截面第j测点的实测值、ω_dij为地i截面第j测点的计算值。ξ_min、ξ_max为平均校验系数比值的最大最小限制值、δ_max为最大校验系数比值的最大限制值，待本发明应用范围更多，实例更多情况下，可回归得出相关系数。

以下为采用本评定方法对既有桥梁进行评定的具体案例：

某城市桥梁，主桥为跨径60m的下承式钢管混凝土拱，两端引桥均为跨径20m的预应力混凝土空心简支板。采用下承式简支钢管混凝土系杆拱结构。拱肋的理论计算跨径60m，计算矢高12m，矢跨比1/5。桥面结构采用纵横梁体系，整体桥面板。立面见图3。

全桥共设2榀钢管混凝土拱，拱肋截面为哑铃型，高160cm，钢管外径65cm，壁厚14mm，拱肋横向间距5.0m。每榀拱肋设10根厂制成套吊杆，每根吊杆采用OVM.GJ15-12钢绞线整束挤压拉索体系，吊杆采用单端张拉，张拉端设于拱肋顶部，固定端设于系梁底部。系梁采用预应力混凝土结构，为矩形实心截面(跨中高170cm、宽80cm)。全桥共设12道预应力混凝土横梁(包括2道端横梁)，端横梁采用单箱单室截面，内横梁采用T型截面。桥面板板厚25cm，与内横梁翼缘板现浇成整体。

建立计算模型如图4，计算结构在设计荷载作用下的各种响应，制定实验方案，应变测点布置见图5、6、7、8，限于篇幅，温度、变形等测点布置未示出。本桥采用STM7进行试验。监测7天，考虑城市交通(桥梁位于城郊结合部)的一般规律，7天为一个交通周期，选择该周内没有节假日的情况，以反映桥梁一般工作状态。

图9为某时刻瞬时桥梁变形状态(曲线拟合处理)，图10为某测点在一个荷载过桥周期的应变测试结果(经过数据噪声及归零处理)，图11为提取的无车状态进行动态分析，确定了结构的振型，并于理论振型进行对比，吻合较好。

按照本文方法进行数据处理，得到桥梁的主要技术状况如下(由于总数据量非常大，最终报告近100页，系统全面揭示了该桥的运行状态，结果仅仅部分展示见表1、2。值得一提的是，个别数据如果按照荷载试验的评判依据，则判定为桥梁承载能力不合格，但本发明的试验时间较长，发现超重车辆荷载引起的数据异常，结构很快恢复原有状态，因此进行了准确的判断)

表1变形测试结果(部分)

表2应变测试结果(部分)

(1)该桥在静载各工况下的应变、变形测试结果表明，桥梁在设计荷载下处于弹性工作阶段。卸载后归零情况正常，残余应力为1％-13％(规范限制值为20％)，没有新的裂缝产生，证明该桥主要承重构件的强度满足设计要求。

(2)该桥静载各工况的测试应力校验系数在0.73～1.15，实测最大位移为13mm(小于设计限值)，说明桥梁结构、材料满足设计要求，整体工作性能良好。

(3)该桥动力测试结果显示，其第一阶竖向自振频率为1.996Hz、阻尼比为0.017，测试模态与理论模态吻合较好，且冲击系数为1.024-1.101，说明桥梁结构的刚度满足设计要求。

(4)等效荷载试验车辆按设计荷载进行等效布载，各静、动载试验结果表明该桥具有良好的承载能力，该桥在目前运行荷载条件下处于安全状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法，其特征在于，包括：

准静态等效荷载试验，用以确定加载的校验系数，包括以下步骤：

Step1、试验类型的确定：选择短期监测试验STM0、STM7、STM14、STM21、STM28试验类型；

Step2、等效车辆的确定：选择等效车辆并确定其长度L1，利用有限元计算确定等效车辆的数量和间距L2，计算的过程中反复调整L2使得所有加载截面的效率系数在规范容许的范围之内；

Step3、传感器的安装及调试：桥梁结构A～G点处布设传感器并传感器进行调试，其中A为应变温度监测点、B为变形监测点、C为加速度测点、D为索力测点、E为伸缩缝测点、F为缺陷测点、G为车速车重测试点；在不中断交通的前提下，测试各个数据的稳定性及数值的大小的合理性，回零特性是否满足要求；

等效荷载试验和运营荷载试验，用以确定桥梁的静动力学特性，其中，

等效荷载试验：中断交通并将等效车辆置于桥头，传感器归零化处理后即开始采集数据，等效车辆以预定间距L2和相同速度依次通过桥梁；

运营荷载试验：恢复交通并按照选择的STM0、STM7、STM14、STM21、STM28，连续采集数据；

数据采集及数据处理：数据采集包括等效荷载试验和运营荷载试验过程中的等效车辆荷载、温度、风荷载、行人荷载、疲劳荷载、流水与波浪力；数据处理包括计算等效车辆荷载、温度、风荷载、行人荷载和流水与波浪力的荷载分布规律，计算各测试量的校验系数、计算A的等效应力幅、计算测试量C的频率与振型、计算测试量A、B两点的冲击系数，通过计算结构对桥梁承载力进行评估；

所述的数据采集及数据处理的评估公式为：

式中ξ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的平均值，δ_i为第i个加载截面各测点的效率系数比值的最大值；α_i为速度修正系数、β_i为荷载密度修正系数，这两项系数根据具体桥型按经验确定；ω_cij为第i截面第j测点的实测值、ω_dij为第i截面第j测点的计算值。

2.根据权利要求1所述的一种既有桥梁短期监测与承载力评定方法，其特征在于，所述的加载截面的效率系数由以下公式及要求确定：

式中η_i为第i个加载截面的效率系数，S_ei(L₂)为等效荷载作用下截面的内力，S_di为设计荷载作用下的内力，要求计算的效率系数全部在0.9-1.05之间；同时要注意所有断面的效率系数不超过1.05。

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