劉立權(quán)

（河北省高速公路榮烏管理處,河北 保定 072150）

高速公路橋梁主梁永久應力觀測點優(yōu)化布設

劉立權(quán)

（河北省高速公路榮烏管理處,河北 保定 072150）

結(jié)合有限元模型和實際工程荷載試驗，研究橋梁在“危險截面”處的最大應力，并且結(jié)合高速公路橋梁行車特點，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮，得出高速公路橋梁永久觀測系統(tǒng)應力測點優(yōu)化布置結(jié)果，從有限的傳感器中得到較為精確應力信息，結(jié)果實用可靠，為以后實際橋梁布設應力觀測點提供了參考和依據(jù)。

高速公路橋梁；應力觀測；優(yōu)化布設

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.034

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)永久觀測系統(tǒng)是保障橋梁服役安全的重要手段，我國《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTGH11—2004）中明確指出：對特大型、大型橋梁的控制檢測中要求必須設置永久性觀測點，定期進行控制檢測。對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應變（應力）觀測是永久觀測系統(tǒng)增加的控制檢測項目，已有規(guī)范或文件只做出了簡單的定性規(guī)定，并未給出測點設置的具體要求。本文結(jié)合有限元模型和實際工程荷載試驗，研究橋梁在“危險截面”處的最大應力，并且結(jié)合高速公路橋梁行車特點，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮，得出高速公路橋梁永久觀測系統(tǒng)應力測點優(yōu)化布置結(jié)果，從有限的傳感器中得到較為精確應力信息。

2 應力（應變）觀測點優(yōu)化布設

應力（應變）監(jiān)測主要反映橋梁在荷載作用下，如風荷載、車輛荷載、地震荷載和其他荷載對構(gòu)件的局部受力狀況，對于評價橋梁的安全性有重要意義[1]。一般情況下，橋梁受到的應力應變隨載荷情況分為靜態(tài)和動態(tài)兩種情況。高速公路橋梁應力應變觀測針對已建成的橋梁，基準狀態(tài)為成橋狀態(tài)，在長期荷載作用下通過靜態(tài)應變傳感器觀測緩慢變化的靜態(tài)應變。靜態(tài)應變測量的目的是：搜集橋梁結(jié)構(gòu)的應力應變分布，推測橋梁的強度儲備狀況。測點布設則力求通過觀測最大應力測點反映橋梁整體最危險截面應力變化。

結(jié)合有限元模型和實際工程荷載試驗，研究橋梁在“危險截面”處的最大應力，根據(jù)高速公路行車特點、橋梁承載能力評定，從橋梁縱橫橋兩個方面考慮橋梁應力觀測點位置和數(shù)量布置。通過觀測測試截面處的應力應變變化，可以較準確的反映橋梁結(jié)構(gòu)受力變化和實際運營狀況。

2.1 “危險截面”理論

由于現(xiàn)有高速公路梁橋多數(shù)為裝配式預應力混凝土梁橋，連續(xù)梁橋多為簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋，各個梁本身是施加了預應力的，成橋狀態(tài)各個部分都承受著預應力荷載。應力測點布設基于成橋狀態(tài)，通過觀測應力應變變化反映出橋梁整體工作狀態(tài)，所以連續(xù)梁橋需在“危險截面”處設置應力觀測點，根據(jù)第一類強度理論—最大拉應力理論，保證該截面處最大拉應力在安全范圍之內(nèi)[2]。

等直梁在純彎曲時橫截面上任一點處正應力為：

式中，M為橫截面上的彎矩；Iz為橫截面對中性軸z的慣性矩；y為所求應力點的縱坐標。

由公式（1）可知：

1）對于一般等截面梁，最大正應力發(fā)生在彎矩最大的橫截面中性軸最遠的各點處；

2）當最大正彎矩截面上的最大正應力達到材料的允許應力時，其余截面上的最大正應力均小于材料的允許應力；

3）正應力與梁彎矩成正比，變化規(guī)律與彎矩變化規(guī)律相同。

由材料力學知識可知：橫截面上最大正應力所在的各點處于單軸應力狀態(tài)，此情況下梁橫截面上的最大工作正應力σmax不得超過材料的允許彎曲正應力。

關(guān)于材料允許彎曲正應力的確定，一般就以材料的允許拉應力作為其允許彎曲正應力。

因此，永久性應力觀測點應布置在“危險截面”梁底，在彎矩最大的橫截面中性軸最遠的各點處，觀測梁底拉應力最大處應力的變化，不超過材料的允許彎曲正應力[3]。

簡支梁和連續(xù)梁自重作用下梁底應力結(jié)果圖如圖1、圖2所示，圖中拉應力為正，壓應力為負，單位為kN/m2：

圖1 跨徑20m簡支梁自重作用下梁底應力結(jié)果圖

圖2 跨徑30m三跨連續(xù)梁自重作用下梁底應力結(jié)果圖

由圖1和圖2可知：

1）簡支梁跨中梁底應力值最大，為拉應力，支座處為零。

2）連續(xù)梁梁底應力值在支點附近為壓應力，支點處為最小，在橋跨中存在應力為零的位置，邊跨最大拉應力值位置向橋臺處偏移。

3）簡支梁“危險截面”為跨中截面；連續(xù)梁“危險截面”為邊跨應力最大處、支點處、中跨應力最大處。

4）經(jīng)過多次計算，邊跨最大應力位置接近L/3（L為梁跨長）。

2.2 橫橋向布置

《中華人民共和國高速公路交通管理辦法》中規(guī)定了高速公路小型客車、大型客車、貨運汽車等機動車行駛車道：

第十條

高速公路以沿機動車行駛方向左側(cè)算起，第一條車道為超車道，第二、第三條和其他車道為行車道。

第十四條

機動車在高速公路上通行時，應當在行車道上行駛。

設計時速高于130km的小型客車在第二條車道上行駛；大型客車、貨運汽車和設計時速低于130km的小型客車在第三條車道上行駛。

有四條以上車道的，設計時速高于130km的小型客車在第二、三條車道上行駛；大型客車、貨運汽車和設計時速低于130km的小型客車在第三、四條車道上或者向右順延的車道上行駛。

摩托車在最右側(cè)車道上行駛。

由以上條例可知，高速公路上靠右側(cè)的車道，如第三、四車道行駛重車的概率大，而從正常使用狀況來講，重車經(jīng)過高速公路橋梁對于橋梁的影響要大于小型客車等輕型車。在橋梁橫橋向采用相同預制梁組成，外界環(huán)境條件相同，橫向連接正常的情況下，行車方向右側(cè)的橋梁部分經(jīng)受的車輛荷載會更大，荷載產(chǎn)生的應力也會更大。所以，通過選擇性的觀測應力更大的梁的截面，可以有效的掌握全橋“危險截面”最不利的應力位置。

根據(jù)以上分析和實際車道劃分，橋梁應力觀測點的位置和數(shù)量選擇：

1）應力測點位置應在車輛行駛方向右側(cè)車道，即第三、第四車道位置的橋梁的梁底，涵蓋重車車道位置；

2）應力測點數(shù)量在橋梁橫橋向應至少選擇一半的梁數(shù)。

2.3 縱橋向布置

《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTGTJ21—2011）中荷載試驗關(guān)于簡支梁橋、連續(xù)梁橋主要加載測試項目規(guī)定如表1所示。

表1 簡支梁橋和連續(xù)梁橋主要加載測試項目

縱橋向布置主要涵蓋跨中、橋跨4分點最大彎矩、撓度截面等，并且考慮測點布置的對稱性[4]。

2.4 布置結(jié)果

永久應力觀測點的布置同樣考慮橋梁對稱性，結(jié)合“危險截面”理論，得到以下布置結(jié)果，如表2所示。

表2 簡支梁橋、連續(xù)梁橋永久應力觀測點布置

3 結(jié)語

應變（應力）觀測是橋梁永久觀測點設置內(nèi)容重要內(nèi)容之一，對于評價橋梁的安全性有重要意義。本文對應變（應力）測點進行了優(yōu)化布置，并對優(yōu)化結(jié)果進行了驗證，得出以下結(jié)論：

1）結(jié)合有限元模型和實際工程荷載試驗，研究橋梁在“危險截面”處的最大應力，根據(jù)高速公路行車特點、橋梁承載能力評定，從橋梁橫橋向和縱橋向兩個方面考慮橋梁應力觀測點位置和數(shù)量布置，給出了通用布置結(jié)果，為以后實際橋梁布設觀測點提供參考和依據(jù)。

2）高速公路橋梁應變（應力）測點布設基于成橋狀態(tài)，在實際橋梁上布設測點后，可以通過定期觀測"危險截面"應力變化，保證該截面處最大拉應力在安全范圍之內(nèi)，可以較準確的反映橋梁結(jié)構(gòu)受力變化和實際運營狀況，為橋梁管養(yǎng)工作提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)。

【1】邱法維,杜文博,錢稼茹，等.虎門大橋應變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設計[J].橋梁建設,2003（2）:66-69.

【2】譚冬蓮,肖汝誠.橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中梁橋靜力應變傳感器的優(yōu)化配置

[J].長安大學學報（自然科學版）,2007（5）:66-69.

【3】淡丹輝,何廣漢.基于靜態(tài)應變測量橋梁結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置法[J].工程設計CAD與智能建筑,2002（2）:53-56.

【4】譚冬蓮,肖汝誠.橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中復雜結(jié)構(gòu)的靜力應變傳感器優(yōu)化配置方法[J].公路,2006（6）:105-108.

Optimal Placement of Permanent Measuring Points on Bridge Stress Observation

LIU Li-quan
（Rongwu Administration in Hebei Province Highway,Baoding 072150,China）

Combined with the finite element model and the actual engineering load test,the maximum stress of bridge in the dangerous sectionisstudied.Accordingtothehighwaybridgetrafficcharacteristics,fromthetransverseandlongitudinaldirectionofthebridgeaspects, theoptimallayoutofthehighwaybridgepermanentobservationsystemisobtained.Andmoreaccuratestressinformationisobtainedfromthe limitedsensor.Theresultsarepracticalandreliable,whichprovidereferenceandbasisfortheobservationpointsoftheactualbridge.

highwaybridge;stressobservation;optimallayout

U441+.5

B

1007-9467（2016）06-0126-03

2015-12-11

劉立權(quán)（1974～），男，河北辛集人，高級工程師，從事高速公路建設研究，（電子信箱）543800337@qq.com。