基于長期監(jiān)測的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋安全評定

■蔡建輝

（福建省高速公路有限責(zé)任公司南平管理分公司，南平353000）

基于長期監(jiān)測的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋安全評定

■蔡建輝

（福建省高速公路有限責(zé)任公司南平管理分公司，南平353000）

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，對一座主跨布置（90+2×170+90）m的連續(xù)剛構(gòu)橋的靜動力特性進(jìn)行了連續(xù)6年監(jiān)測，分析了長期變化趨勢。進(jìn)一步結(jié)合外觀檢測結(jié)果，對該橋長期工作性能進(jìn)行了評估。研究結(jié)果表明該橋總體工作性能穩(wěn)定，可以為同類橋梁的工作性能評定提供依據(jù)。

連續(xù)剛構(gòu)橋動應(yīng)變支座位移下?lián)祥L期監(jiān)測安全性能

1 緒論

隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展,我國橋梁建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個快速發(fā)展時期。近年來,我國先后建造了近百座大跨度橋梁，鑒于大型橋梁工程具有投資大、設(shè)計(jì)周期和使用年限長、工作環(huán)境惡劣，易受周圍大氣、溫度、濕度及天氣的影響而發(fā)生劣化以及長期承受動荷載等特點(diǎn)，因而建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及狀態(tài)評估就顯得非常必要[1-2]。通過恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測手段及時了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，特別是有可能在早期就發(fā)現(xiàn)危及安全的隱患，對確保結(jié)構(gòu)安全起到至關(guān)重要的作用，同時也為結(jié)構(gòu)維修加固提供必要的依據(jù)，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 工程背景

2.1 連續(xù)剛構(gòu)橋介紹

某主橋上部結(jié)構(gòu)為跨徑90m+2×170m+90m的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，總長520m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度：0.5m+11m+0.5m+0.5m（分隔帶）+0.5m+11m+0.5m。由上、下分離的兩個單箱單室截面組成，箱梁根部高10.0m，高跨比為1/17.0，跨中梁高為3.0m，高跨比為1/56.7，箱梁頂板寬12.0m，底板寬6.0m，翼緣板懸臂長3.0m。主橋橋墩采用預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁空心墩，高樁承臺、群樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20級，掛車-120，大橋于2003年9月竣工。

圖1 橋梁全景圖

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

大橋分為左右兩幅，該橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施分初步建立和逐步完善兩個階段[3]。第一階段主要完成對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和重要狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，重點(diǎn)完成“健康狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)本地傳輸及數(shù)據(jù)顯示與查詢系統(tǒng)”的建立；第二階段是完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、系統(tǒng)硬件設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化和配置、完善監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和橋梁結(jié)構(gòu)的健康評價(jià)系統(tǒng)。到2007年4月已經(jīng)完成了健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備安裝與現(xiàn)場調(diào)試工作，系統(tǒng)正式投入試運(yùn)行。截至2016年，該健康監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)歷了9年多的運(yùn)行考核，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。對橋梁8個斷面各種信號進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測斷面見圖2，其中典型的應(yīng)變和溫度監(jiān)測斷面見圖3和圖4。

圖2 大橋監(jiān)測項(xiàng)目布置圖

圖3 應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

圖4 溫度傳感器布置示意圖

3 靜動力特性監(jiān)測

3.1 動應(yīng)變

通過對主梁各控制截面應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，能直接了解各測點(diǎn)處的應(yīng)變狀態(tài)，為總體評判橋梁的安全性和耐久性提供依據(jù)，而且還能通過控制點(diǎn)應(yīng)狀態(tài)變化來發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變異。

應(yīng)變測試采用的是日本東京測器研究所的WFLM-60-11型應(yīng)變計(jì)。通過動應(yīng)變的變化得到過橋車輛的應(yīng)變響應(yīng)。應(yīng)變數(shù)據(jù)的最大值與該時段平均應(yīng)變的差值來評價(jià)，具體取值方法見圖5，當(dāng)車輛通過該測點(diǎn)截面時，對應(yīng)變的影響時間不超過10s，故應(yīng)變平均值取為車輛通過10s內(nèi)（前后各5s內(nèi)）應(yīng)變的平均值。

圖5 車載作用應(yīng)變差值示意圖

通過統(tǒng)計(jì)E斷面最大的縱向拉、壓應(yīng)變和最大橫向拉應(yīng)變見表1，可以看出截面的應(yīng)變沒有明顯變化。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在橋梁設(shè)計(jì)荷載作用下，跨中截面的最大縱向拉壓應(yīng)變分別為85με和-42με。所以，汽車荷載作用下橋梁的響應(yīng)均小于設(shè)計(jì)荷載作用的響應(yīng)。說明，目前橋梁運(yùn)行的車輛荷載總體小于設(shè)計(jì)荷載，橋梁也處于正常工作狀態(tài)。

表1 汽車荷載作用下跨中截面應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

3.2 動位移

橋梁的振動位移是衡量橋梁振動水平的一個重要標(biāo)志。當(dāng)車輛的振動頻率與橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率一致時，即形成共振，其振幅比一般的振動大很多，振幅的大小與橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼大小及共振時間的長短有關(guān)。

動位移監(jiān)測采用中國地震局工程力學(xué)研究所的941BX型動位移傳感器。在位移時程曲線上將最大動撓度減去動撓度平均值即可得出位移振幅，見圖6，當(dāng)車輛通過該測點(diǎn)截面時，對動位移的影響時間大概為20s，故動位移平均值取為車輛通過20s內(nèi)（前后各10s內(nèi)）位移的平均值。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，得到跨中截面的豎向、橫向動位移起伏最大，1/4截面次之，橋墩墩頂截面最小。因此，對9年來E斷面的最大橫向和豎向位移進(jìn)行分析，結(jié)果見表2?？梢钥闯鰟游灰埔矝]有明顯變化規(guī)律，豎向最大動位移小于設(shè)計(jì)車輛荷載作用產(chǎn)生的豎向最大動位移11.6mm，因此動位移也處于正常工作范圍。

圖6 車載作用動位移振幅示意圖

表2 E截面豎向動位移測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

3.3 模態(tài)特性

采用基于MATLAB平臺的峰值法（PP，Peak-picking method）和隨機(jī)子空間法（SSI，Stochastic SubspaceIdentification）進(jìn)行模態(tài)識別，兩種方法的結(jié)果可以相互校核[5]。

表3為2013年2～5月模態(tài)數(shù)據(jù)處理得到的頻率?？梢钥闯龇逯捣ㄅc隨機(jī)子空間法識別出來的頻率基本吻合，可以進(jìn)行互相校核。還可以看出大橋的各階模態(tài)頻率2～5月統(tǒng)計(jì)的各階模態(tài)頻率變化幅度最大達(dá)到7.537%。一階豎向頻率可以直接反映橋梁整體豎向剛度的變化，為了最大限度地降低其它因素對頻率的影響，將每年3個月一階頻率的平均值進(jìn)行比較（見表4），可以看出，頻率沒有明顯變化，說明主梁的剛度沒有發(fā)生明顯變化。

表3 頻率統(tǒng)計(jì)表（2013年2～5月）

表4 豎向一階頻率的變化值

3.4 支座位移

監(jiān)測支座可以對支座和伸縮縫的工作性能進(jìn)行評估，可以為大橋的安全運(yùn)營、壽命評估以及支座更換提供依據(jù)[6-7]。支座位移監(jiān)測采用中國地震局工程力學(xué)研究所的SW系列拉線相對式位移傳感器。

各支座位移傳感器布置見圖7，全橋左幅共布設(shè)6個拉線位移傳感器（其中縱向4個、橫向2個），另外右幅也布設(shè)了兩個橫向位移傳感器。在對大橋進(jìn)行監(jiān)測時，分水關(guān)側(cè)的4個支座都向福安灣塢方向的發(fā)生了較大縱向偏位，見圖8。福安灣塢側(cè)的支座也向分水關(guān)側(cè)發(fā)生縱向偏位。橋梁總體縮短。設(shè)定20℃（大橋合攏溫度）時橋梁的縱向支座位移值為處理縱向支座位移的基準(zhǔn)值，每年測量支座偏離初始安裝位置的距離，LD-L-1點(diǎn)支座偏離位置最大，每年的偏離距離見表5，可以看出，支座偏離距離略有增大，與橋梁混凝土的收縮徐變有關(guān)。

圖7 拉線相對式位移傳感器測點(diǎn)布置圖

圖8 支座縱向位移（分水關(guān)側(cè)）

通過縱向位移傳感器測試橋梁縱向位移每天變化的規(guī)律，支座縱向位移呈現(xiàn)比較規(guī)律的類似正弦波運(yùn)動，一天內(nèi)的支座能夠基本復(fù)位，如圖9所示。統(tǒng)計(jì)每年支座縱向位移的最大值（見表5），結(jié)合支座的偏位和變化規(guī)律，可以看出，目前的支座位置和伸縮縫的變化都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但支座偏位呈現(xiàn)增大的趨勢。

表5 支座位移變化

圖9 支座位移24小時變化曲線

3.5 主梁下?lián)?/p>

通過防撞欄布設(shè)的47個永久撓度觀測點(diǎn)，利用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測量，以2004年3月第一次測量觀測點(diǎn)高程為基準(zhǔn)值，測量各跨撓度變化最大值，取值為跨中相對于兩個墩頂?shù)膿隙认陆抵?。中跨最大下?lián)现狄姳?，可以看出跨中下?lián)陷^大，與2004年3月相比較，至2016年10月，最大下?lián)蠟?.02cm，而且跨中下?lián)铣试龃筅厔?，如圖10所示。

表6 跨中最大下?lián)?/p>

圖10 大橋最大撓度變化趨勢

4 外觀檢測結(jié)果分析

4.1 附屬設(shè)施分析

2015年4月對附屬設(shè)施進(jìn)行了檢查，各項(xiàng)目狀態(tài)等級參照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》評估結(jié)果如下：

（1）支座：該橋右幅發(fā)現(xiàn)1個支座橡膠體裂紋。2個支座橡膠體開裂。22個支座偏壓；左幅發(fā)現(xiàn)5個支座剪切變形；39個橡膠體裂紋，8個橡膠體開裂。判定此項(xiàng)目狀態(tài)為良好，得分90。

（2）伸縮縫：左、右幅伸縮縫錨固砼完好，型鋼無扭曲變形等現(xiàn)象。判定此項(xiàng)目為良好狀態(tài)，得分95。

（3）橋面鋪裝：該橋橋面鋪裝層整體完好，無開裂、坑槽、龜裂等缺陷。判定此項(xiàng)目狀態(tài)為良好，得分90。

4.2 主梁裂縫分析

2004年3月、2004年8月、2005年3月和2011年4月共四次對橋梁內(nèi)外進(jìn)行裂縫觀測，結(jié)果如下：

2004年3月：箱外底板左右幅共出現(xiàn)11條裂縫，無超限寬裂縫，最大縫寬為0.16mm，箱內(nèi)頂板左右幅共出現(xiàn)59條微裂縫，最大縫寬為0.14mm。左右幅跨中橫隔板共出現(xiàn)28條縱向裂縫，最大縫寬0.28 mm。

2004年8月：箱外底板左右幅共出現(xiàn)8條新裂縫，無超限寬裂縫，最大縫寬為0.12mm，箱內(nèi)頂板未出現(xiàn)新裂縫。左右幅跨中橫隔板未出現(xiàn)新裂縫。

2008年3月：箱外底板左右幅未出現(xiàn)新裂縫。箱內(nèi)頂板新出現(xiàn)6條裂縫，最大縫寬0.10mm，2處裂縫流白灰。左右幅跨中橫隔板未出現(xiàn)新裂縫。

2014年4月：發(fā)現(xiàn)右幅有20條斜向裂縫，總長16.8m，主要分布在左右側(cè)翼緣板處；縱向裂縫29條，主要分布T梁腹板與翼緣板交接處及箱梁底板；箱梁底板原有裂縫經(jīng)過修補(bǔ)后少數(shù)發(fā)現(xiàn)有繼續(xù)延伸的現(xiàn)象；左幅檢查發(fā)現(xiàn)有16條斜向裂縫，總長11.1m，主要分布在T梁翼緣板處，22條縱向裂縫，總長32.3m。

梁體出現(xiàn)無明顯規(guī)律的裂縫，且四次梁體裂縫條數(shù)呈遞減趨勢，出現(xiàn)裂縫的縫寬最大值也逐漸變小，重點(diǎn)監(jiān)測裂縫縫寬無明顯變化，縫寬趨于穩(wěn)定；裂縫深度為4.00cm，均為非結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的表面裂縫，對受力無明顯影響。

5 結(jié)語

（1）2007年至2016年這9年來，進(jìn)行了大橋靜動力特性進(jìn)行了在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變和結(jié)構(gòu)動位移沒有增大的跡象，且均小于設(shè)計(jì)荷載作用下的計(jì)算值。模態(tài)頻率也沒有明顯增大。支座偏離初始安裝位置最大達(dá)20.9cm，且每年有增大的趨勢，但支座偏離和伸縮縫的伸縮量都在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。橋梁的附屬設(shè)施也基本完好。

（2）橋梁跨中下?lián)媳容^穩(wěn)定，最大下?lián)蠟?.02cm，遠(yuǎn)小于預(yù)拱值13.7～16.4cm。大橋主橋附屬設(shè)施基本完整。主梁梁體裂縫條數(shù)呈遞減趨勢，裂縫的縫寬最大值也逐漸變小，重點(diǎn)監(jiān)測裂縫縫寬無明顯變化，主橋的最大裂縫寬度小于預(yù)應(yīng)力混凝土梁的裂縫限值0.20mm。

（3）橋梁的靜動力特性監(jiān)測和外觀檢查結(jié)果表明：大橋整體工作性能穩(wěn)定，各種受力響應(yīng)平穩(wěn)，且跨中下?lián)虾苄∏乙呀?jīng)基本穩(wěn)定，裂縫也沒有發(fā)展。對于大橋的養(yǎng)護(hù)，除了進(jìn)行正常的日常養(yǎng)護(hù)，3年一次的定期檢查外，還需要進(jìn)行每年兩次的線形監(jiān)測以及特殊事件，如臺風(fēng)、地震后，結(jié)合健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行橋梁狀態(tài)的評估，動態(tài)地掌握橋梁的長期工作狀態(tài)。

[1]宗周紅，牛杰，王浩.基于有限元模型確認(rèn)的橋梁概率損傷識別方法研究進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45（8）:121-130.

[2]梁鵬，李斌，王曉光，等.基于橋梁健康監(jiān)測的傳感器優(yōu)化布置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014,331（1）：120-129.

[3]宗周紅，徐立群，孫建林，等.連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2009，31（5）：65-71.

[4]福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測中心.福寧高速810m特大夸連續(xù)剛構(gòu)橋主橋汽車靜動載試驗(yàn)報(bào)告[R].福州，2003.

[5]De Roeck G，Peeter B.MACEC2.0-Modal Analysis on Civil Engineering Constructions.Belgium:Department of Civil Engineering[D]，Catholic University of Leuven，1999.

[6]宗周紅，朱三凡，夏樟華.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋安全性能評估的綜合分析方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2011.7，33（7）:110-117.

[7]宗周紅，朱三凡，夏樟華.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋安全性能評估的基準(zhǔn)有限元模型[J].鐵道學(xué)報(bào)2011.9，33（9）:94-101.

福建省交通科技項(xiàng)目資助（201354）