基于桥梁检测数据的结构状态识别及模型修正

基于桥梁检测数据的结构状态识别及模型修正

许文

（广州大学，广东省广州市510006）

摘要：桥梁周期性检测[1]是掌握结构使用状况，明确其服役性能的重要手段，是我国公路桥梁养护及加固的决定性依据。随着近年来发生的多起桥梁垮塌事件，桥梁检测的重要性越来越受到业内重视[2]，多数服役使用十年以上的桥梁都开展了无损检测乃至静动载试验[3]，这些为桥梁技术状态等级的定量评价提供了支持。目前的研究和工程实践主要是基于这些检测数据评定桥梁的现有技术状况，例如夏占武通过无损检测方法评估了某双曲拱桥，得出该桥技术状态等级较差；康文生采用静载试验方法分析了某预应力混凝土箱型连续梁桥的结构性能，鉴定该桥技术状态满足规范要求；惠云玲通过动载试验方式研究了某主桥桥型为独塔单索面混凝土斜拉桥的动力特性，评定该桥动力性能良好。实际上，依据桥梁检测数据建立的有限元模型与结构当前情况下真实的技术状态存在差异，例如宗周红通过检测数据更新了桥梁有限元模型[4]。因此，更新后的有限元模型，对于桥梁后期的管养策略将更具帮助意义。本文将建立基于检测数据的在役混凝土桥梁承载能力评估方法，该方法结合桥梁检测数据更新结构有限元计算模型，评估桥梁的安全状况，并基于评估结果给出桥梁后期养护与管理的对策。

关键词：在役桥梁；检测数据；模型修正；承载能力

1.工程概述

某桥为现浇钢筋混凝土结构，全长65m，跨径组合5ⅹ13m，桥面总宽30.0m，桥面机动车道为双向四车道。上部结构形式均采用钢筋混凝土简支T梁，单跨由18片T梁组成，本文选取该桥左幅2#~3#跨进行分析。

2.检测数据分析

外观检查：通过对该桥进行详细的外观检查，可知桥面普遍存在破损、开裂，主梁存在大面积的破损露筋，桥墩、支座严重破损、锈蚀等现象，全桥技术状况等级被评定为C类（合格）。

无损检测：本次检测结果表明该桥混凝土强度没有明显变化；开裂现象较为严重，但未超过容许最大限宽；T梁梁体混凝土保护层厚度不满足规范要求。

静载试验[5]：本次试验将2台重约300KN的重车，于中轴线对称加载，加载效率为103.0%，符合规范要求，测试结果如下：

表1各试验荷载下各挠度测点计算结果和实测结果对比表（mm）

表2试验荷载作用下各截面应变测点计算结果和试验结果对比表（με）

由检测结果可知，该幅桥总体性较差，桥梁安全储备不足，承载能力和使用性能不能满足城-B级及人群3.5kN/m2设计荷载等级的要求。

动载试验：本次动载试验自振特性测试采用地脉动为激振源；受迫振动采用跳车激振法，将一辆车重约为100KN的汽车从高约15cm的垫块上自由下落进行激振，检测跨实测一阶自振频率为8.40Hz，，而对应的理论计算一阶频率为8.70Hz，实测频率小于理论计算值，表明该幅桥的实际刚度较弱，振动响应较大，行车性能较差。

3.有限元模型修正

由动动静载试验可知，实际桥梁检测结果和计算结果相差较大，已有的模型已不能反映当前桥梁的实际工作状态，因此需要根据实测数据利用模型修正数据对有限元模型进行修正。

（1）修正参数的选取

钢筋混凝土桥梁结构中，对受力状态有较大影响的因素，主要体现在混凝土的弹性模量、容重和截面特性上，本文根据灵敏度原则[6]，选取该参量作为修正参数。

(2)有限元参数修正值的确定

经有限元模型计算可知，当刚度调整系数取0.9,质量调整系数取值0.99,计算挠度值为5.6mm与实测值5.7mm的误差为0.02%，一阶竖向频率值为8.30Hz与实测值8.40z的误差为0.01%，修正后的模型满足相关性要求，能准确模拟结构当前情况下真实的技术状态。

(3)模型修正后数据对比

将系数调整后代入有限元模型进行模型修正，修正后计算值与修正前计算值以及实测值对比如下：

模型修正后，挠度、应变最大值较修正前有所增加，频率较修正前有所减小，修正前后的振型没有改变，修正后的模型计算值更趋于实测值。

4.桥梁状况评估

结果表明该幅桥承载能力储备不足，实际刚度偏小，可能存在开裂或者其他不正常现象。建议维管部门对该桥进行机动车限行措施，对存在的病害和缺陷进行维修处理，并至少每年一次定期检测。

参考文献

[1]CJJ99-2003，城市桥梁养护技术规范[S].

[2]韩亮.近年国内桥梁垮塌事故分析及思考[J].清华大学，2013.

[3]公路桥梁荷载试验规程（JTG/TJ21-01-2015）[S].中华人民共和国交通运输部，2015.

[4]周宗红.桥梁有限元模型修正和模型确认[M].四川人民出版社，2012.

[5]JTG/TJ21-01-2015，公路桥涵荷载试验规程[S].

[6]张启伟.桥梁结构模型修正与损伤识别[J].同济大学.1999