桥梁结构挠度理论分析和健康监测研究

桥梁结构挠度理论分析和健康监测研究摘要：桥梁结构在重复荷载和灾害环境的长期作用下，结构性态会发生变异，桥梁结构健康监测可以实时的对桥梁使用情况。本文从理论角度和实测角度分析了桥梁结构的挠度监测技术，分析结果得到：根据二孔连续梁的挠度变形得出了比较简单实用的挠度曲线方程；全站仪挠度观测的试测精度比传统挠度测量精度高，在测量的距离较大的情况下，安置规牌是减小瞄准误差的有效手段；在大跨度桥梁健康检测中，对称加载时，桥梁结构的挠度变形值在跨中最大，实测的挠度在最不利荷载作用是时要小于理论计算的结果，其他位置基本相似，本文的研究结论对对大跨径桥梁的设计和监测提供有力的参考。关键词:桥梁结构；扰度；理论分析；健康监测中图法分类号:文献标识码:A文章编号:TheoreticalanalysisandhealthmonitoringofbridgestructuredeflectionAbstract:Thebridgestructureinthelong-termeffectsofrepeatedloadingandenvironmentaldisaster,structuralchanges,inordertoensurethesafetyofthebridgeinthenormalusestage,hasveryimportantsignificanceforhealthmonitoringofbridgestructure,thispaperanalyzesthedeflectionmonitoringtechnologyofbridgestructurefromtheangleoftheoryandactualangle,analysisresultsare:accordingtothetwoholedeflectionthecontinuousdeformationofthebeamdeflectioncurveequationisrelativelysimpleandpractical;thetotalstationdistancemeasurementaccuracy,totalstationdeflectionobservationtestprecisionverniercalipertomeasurethevalueofhighprecisioninmeasurement,thedistanceislarge,istheeffectivewaytoreducebrandplacementrulesaimingerror;inlong-spanbridgehealthinthedetection,symmetricloading,themaximumdeformationofbridgestructuredeflectionatmidspan,themostunfavorableloadingmethod,themeasureddeflectiontoLessthantheresultsoftheoreticalcalculations,otherlocationsarebasicallysimilar,theresearchconclusionsofthispaperprovideastrongreferenceforthedesignandmonitoringoflong-spanbridges.Keywords:Bridgestructure;immunity;theoreticalanalysis;healthmonitoring0引言桥梁在地面交通中起到比较重要的作用，国家对桥梁结构的投资巨大和技术层面要求较大，由于桥梁结构在重复荷载和灾害环境的长期作用下，结构性态会发生变异，承载能力下降和耐久性都会下降，长期以往桥梁结构的安全性受到较大的威胁，对人员生命和经济都有安全隐患。随着科技和信息技术的高速发展，桥梁工程出现很多新的技术，比如预应力技术和钢桥技术，新技术的出现让大跨度桥梁不断增多，我国的杭州湾跨海大桥跨径达1990m，轻柔化以及规模的大型化是未来桥梁的发展方向，和功能的复杂化方向发展。国内外很多学者对桥梁结构健康监测进行了很多的研究，英国的研究者将传感器安装在Foyle桥，监测桥梁主梁的挠度、应变等；美国佛罗里达州的SunshineSkyway桥上安装设备桥梁的温度、应变和位移[1]；泰国的RamaIX桥和韩国的Namhae桥安装检测系统对桥梁振动和动力特性长期监测的功能[2]；2000年，美国研究者在commondoreBarry大桥采用LabView平台进行检测[3]；我国的桥梁监测在90年代开始，香港在悬索桥青马大桥上安装传感器，检测荷载和振动响应[4,5]；秦权给出健康监测的概念和桥梁检测系统的设计原则等[6];李爱群等对于润扬长江大桥斜拉桥进行了健康检测和有限元模型修正[7-9]；邹振祝和杜彦良[10-12]将智能材料和传感器应用到桥梁健康检测中，完成了宪湖长江大桥的检测。桥梁安全评价的一个重要指标是桥梁挠度，对于挠度的监测，一般采用全人工测量法，满足无法长期桥梁挠度多站点安全监测，本文结合工程实例，从理论和实测角度提出大跨度桥梁挠度监测的方法。1桥梁变形理论分析桥梁在受到外界荷载作用时会发生弯曲变形，从而产生位移，为了更好的测量这些位移和挠度，一般会在桥梁结构的一些关键部位选择测量点，根据实测的挠度值，通过公式计算出挠度变形，得出整个桥梁结构的挠度分布情况，这是桥梁结构的健康情况的主要参考依据。桥梁根据支撑情况只要分为简支梁式、连续梁式和悬臂式桥梁三种结构形式，本文主要针对连续式桥梁进行理论挠度分析。1.1二孔连续梁图1二孔连续梁图2二孔连续梁受力模型Fig.1twocontinuousbeamwith1holesFig.2modeloftwoholecontinuousbeams图3（a）静定基图3（b）相当系统Fig.3(a)JingDingjiFigure3(b)theequivalentsystem二孔连续梁的简化的力学模型是超静定梁，该结构的刚度和强度都比较高，图2是在没有外界荷载的受力情况，图中q表示线荷载分布的集度，RA、Rb、Rc分别为A、B、C三处的支座反力，支撑点之间的距离是1。为计算该超静定系统，一般将其分解为静定基和相当系统两个部分，分解之后的相当系统要等价于原系统，为此在C点的挠度（yc)Rc满足以下的变形条件：yC=(yC)q+(yC)Rc=0力与变形的物理条件：445(2)5()38424CqqlqlyEIEI33(2)()486CCCRcRlRlyEIEI联合三个式子可得，4350246CqlRlEIEI解得54CqlR，根据静力平衡条件，得出38AqlR，38BqlR。二孔连续梁如果没有外界荷载作用，挠度变形主要是自重和支座反力引起，其大小为：33322(84)(3)012412CqxRxyllxxlxxEIEI将RC带入得，333225(84)(3)012448qxqlxyllxxlxxEIEI如果结构有外荷载作用时，桥梁挠度变形方程是同样的方法计算得到。2大型桥梁挠度监测方法桥梁健康监测的内容主要包括主梁应力、振动、索力测、温度等方面的监测，采用的方法主要有精密水准法、全站仪观测法、GPS观测法、液体静力水准观测法等，大跨径桥梁的发展让传统的挠度监测方法受到很大的挑战，为更好的监测大跨桥梁结构挠度，本文主要介绍监测全站仪挠度监测法，其应用较为广泛。2.1全站仪挠度监测全站仪在土木工程得到广泛的应用，在挠度监测中其主要是采用光电测距三角高程法，首先选择好较为合适的测站点并将仪器架在上面，在选择好的观测点上面安置棱镜，测点加荷载前面的高差h1和h2，挠度值即为两者之差，地球曲率和大气折光会影响影响观察结果，为此需要进行以下高差修正：211111111sin2KhSivDR222222221sin2KhSivDR式中，S1和S2分别代表的是斜距，1、2分别代表的是竖向角，i1、i2分别代表的是仪器高，K1、K2分别代表的是大气光系数，R地球曲率半径，v1、v2分别代表的是棱镜高，D1、D2分别代表的是平距。由于仪器和棱镜没有移动，所以i1=i2，v1=v2，S1=S2=S，D1=D2=0，全站仪挠度监测计算公式为:2212121(sinsin)2KKhhhSDR由于挠度计算采用的是差值，所以可以忽略大气折射，即K1=K2，2121(sinsin)hhhS对公式采用全微分，根据误差传播定律，得出222222sin2hsDmmm该方法在距离上面存在一定的限制，距离太大精度会降低，如果在特大桥采用该方法，一般需要特别规牌的全站仪，进而减小误差。2．2方法验证本文采用全站仪挠度观测的方法在实验场地进行挠度观测的试验，试验工况为：距离40m，80m和120m，40m和80m没有加规牌试验结果如表1：表1试验结果对比Table1Comparisonoftestresults序号D＝40mD＝80mD＝120m全站仪测量值游标卡尺读数差值全站仪测量值游标卡尺读数差值全站仪测量值游标卡尺读数差值1－11.5-11.50-6.3-6.5+0.2-7.8-7.2-0.62-11.8-12.3+0.5-6.9-7+0.1-0.4-0.8+0.43-15.9-16.1+0.2-32.1-32.8+0.7-4.2-3.6-0.64-24.5-24.8+0.3-7.4-7.8+0.4-10.1-9.0-1.1通过试验结果对比发现，全站仪挠度测量值相对游标卡读数相差不是很大，尺测量值精度要高，这主要是由于全站仪距离实测精度较高，从表1中数据可以看出，距离和精度是呈反比的，为此在测量的距离较大的情况下，安置规牌是减小瞄准误差的有效手段。3工程实例图4润扬长江公路大桥Fig.4theRunyangYangtzeRiverHighwayBridge图5静载试验Fig.5theStaticLoadTest图6测点布置示意图Fig.6schematicdiagramofobservationlayout本文采用全站仪挠度监测法结合具体的工程案例分析桥梁挠度,润扬长江公路大桥是一座悬索桥，分别连接着京沪、宁沪、宁杭三条高速公路，其主跨为1490m，包括了209.9m的南汊悬索桥和175.4m+406m+175.4m北汊斜拉桥（图4)。3.1测站点和基准点的选取静载试验为了不影响正常的交通，在夜间进行的较多，本文的静载试验是在晚上九点到十一点进行（表1），测站点放在桥面上，分别放在上游和下游L/4分点处和3L/4分点处，观测点在上、下游一侧的栏杆，该桥位为悬索桥，所以4个基准点位置较为固定，具体见图6和表2。3.2试验工况表2静载试验工况Table2staticloadtestconditions工况加载位置时间载重车加载13L/4跨，横向对称21:40-22:002L/2跨，横向对称22:12-22:323L/4跨，横向对称22:45-2:053.3结果分析图7工况1挠度实测与理论值比较Fig.7Comparisonofthemeasuredandtheoreticalvaluesounderthecondition1(thedownwarddeflectionofthedeflection)表3工况1挠度实测值与理论计算值Table3Themeasuredvalueandtheoreticalvalueofthedeflectionofworkingcondition1测点所在位置实测值理论值差值上游下游上游下游中跨L/8-1.417-1.456-1.376-0.041-0.0802L/8-2.839-2.866-2.827-0.012-0.0393L/8-1.456-1.502-1.5380.0820.0364L/80.1090.1030.0730.036