無風(fēng)撐系桿拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳能輝，楊紀(jì)鵬，夏 燁

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海市200092；2.寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開發(fā)有限公司，浙江 寧波315000）

0 引 言

拱橋在我國具有悠久的歷史，是除梁橋以外另一種常見的橋梁形式，因拱橋具有各種各樣的形式，造型優(yōu)美，數(shù)量眾多[1]。許多現(xiàn)存的古代拱橋形式為人類文明遺產(chǎn)的重要組成部分，拱橋相比于斜拉橋、懸索橋而言是一種最古老的橋形之一，拱橋一般受壓性能好，以前受壓好的材料一般以石材為主，于是就有拱橋取材很方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，造型優(yōu)美等特點(diǎn)，備受人民親睞，且具有較高的競爭優(yōu)勢，是不斷發(fā)展的一種橋梁形式。

本課題所依托的項(xiàng)目為寧波市澄浪橋工程，工程主橋采用中承式無風(fēng)撐內(nèi)傾拱橋，造型新穎該橋造型新穎，線形流暢，別樹一幟，卓爾不群，有著與眾不同的特點(diǎn)：在寧波地區(qū)軟土地基建設(shè)的中承式坦拱橋，無邊跨，區(qū)別于傳統(tǒng)中承式拱橋。主拱拱肋兩片布置，向道路中心線方向內(nèi)傾，且不設(shè)置風(fēng)撐；主橋因地制宜的采用了斜橋的布置形式，在國內(nèi)外特大拱橋中較為獨(dú)特；由于本橋?yàn)樘构皹蛄海袄邆髦粱A(chǔ)的水平力及彎矩較傳統(tǒng)拱橋更大，拱腳受力更加不利，因此，本橋拱腳采用鋼混結(jié)合形式，同時(shí)在拱腳內(nèi)張拉一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼束，并在承臺(tái)范圍內(nèi)的拱腳增加PBL 鍵構(gòu)造，使拱腳在預(yù)應(yīng)力鋼束、PBL 鍵及剪力鍵的共同作用下與承臺(tái)形成一個(gè)共同受力的整體，保證了結(jié)構(gòu)的安全性能。因此有必要開展該類橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究。

1 工程概況

1.1 橋型布置

本文方案是選擇一座中承式無風(fēng)撐鋼箱拱肋拱橋，該拱橋橫向?qū)ΨQ布置兩片拱肋，且位于人行道外側(cè)，主拱圈向內(nèi)傾斜角度設(shè)計(jì)值為10°，兩拱軸中心距設(shè)計(jì)值為44.7 m，拱間不設(shè)風(fēng)撐。主拱拱肋形狀為矩形封閉鋼箱型，同時(shí)在1/4 主跨出對(duì)稱地將1 個(gè)封閉鋼箱分叉為2 個(gè)，2 個(gè)鋼箱拱肋之間用鋼桁架進(jìn)行橫向連接。這種斷面布置形式既滿足了受力要求，又避免看起來顯得笨重，具有良好的視覺景觀效果。總體布置見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)總體布置圖（單位：cm）

該拱肋矢高為25 m，跨徑為175 m，矢跨比為1/7，拱軸線由多段圓弧線擬合而成。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

澄浪橋設(shè)計(jì)主要采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a。

環(huán)境類別：主橋上部結(jié)構(gòu)為Ⅱ類，主橋下部結(jié)構(gòu)為Ⅲ類，引橋上部結(jié)構(gòu)Ⅰ類，主橋下部結(jié)構(gòu)Ⅱ類。

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

主橋橋梁斷面布置為：3.0 m 人行道+13.5 m 車行道+0.5 m 中央分隔帶+13.5 m 車行道+3.0 m 人行道，橋面全寬33.5 m。

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011），本工程地震基本烈度為6 度，橋梁抗震設(shè)防分類：甲類，橋梁抗震措施滿足7 度要求。

設(shè)計(jì)車速：按照城市次干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)車速采用40 km/h。

橫坡：激動(dòng)車道橫坡為1.5%，人行道橫坡為1.0%。

縱坡：主橋縱坡最大為2.9%。

2 有限元模型分析

2.1 模型建立

本文利用midas 建立拱橋的總體模型，所選用的單元包括梁單元、桿單元、板單元，其中在該模型橋梁的橋面板和無吊桿區(qū)域的鋼箱梁底板部分均采用板單元進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際情況，吊桿選用桿單元進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)部分均采用梁單元進(jìn)行模擬。幾何模型見圖2。

圖2 全橋有限元模型

本橋的基本荷載工況為：

永久荷載（自重+ 二期恒載+ 系桿力）DL；

活載（汽車移動(dòng)荷載、人群荷載、汽車制動(dòng)力）LL；

風(fēng)荷載（包含有車風(fēng)荷載、無車風(fēng)荷載及施工階段風(fēng)荷載）WL；

地震荷載EQ；

溫度荷載（包含體系升降溫、構(gòu)件溫差、梁梯度溫度）TL；

基礎(chǔ)不均勻沉降DP。

除了另有說明，本章中的荷載按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的規(guī)定進(jìn)行組合。

2.2 靜力分析

限于篇幅，本文分布對(duì)拱肋內(nèi)力及應(yīng)力、主梁應(yīng)力展開分析。

（1）拱肋內(nèi)力分析

由圖3、圖4 可見，由于拱肋內(nèi)張拉系桿的原因，鋼混結(jié)合段出現(xiàn)較大的豎向彎矩，其余區(qū)段拱肋彎矩較小。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行組合，算得拱肋最大軸向力為-156670 kN，豎向最大彎矩為-96772 kN·m，橫向最大彎矩為57504 kN·m，均出現(xiàn)在下拱肋拱腳。

圖3 拱肋軸力-恒載

圖4 拱肋豎向彎矩-恒載

由應(yīng)力結(jié)果得到，在恒載（結(jié)構(gòu)自重等）作用下，拱肋應(yīng)力小于86 MPa，在標(biāo)準(zhǔn)組合下，拱肋壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在拱頂，大小為124 MPa，拱肋拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在與鋼混結(jié)合段交界的位置，大小為71 MPa。

（2）主梁應(yīng)力分析

標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁上緣最大拉、壓應(yīng)力分別為112 MPa 和147 MPa；下緣為136 MPa 和81 MPa；由圖5、圖6 可見，“恒載+ 活載”組合下緣最大拉應(yīng)力為113 MPa，參照鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可以滿足要求。

圖5 主梁上緣應(yīng)力－恒+ 活

圖6 主梁下緣應(yīng)力－恒+ 活

（3）底板應(yīng)力分析

由圖7～圖10 可見，恒載下橋面板縱向應(yīng)力在端橫梁的中間支點(diǎn)、橫向應(yīng)力在拱肋牛腿支點(diǎn)處存在明顯的應(yīng)力集中；標(biāo)準(zhǔn)組合下，除個(gè)別位置的應(yīng)力集中外，底板應(yīng)力基本在100 MPa 以內(nèi)，其中橫梁位置底板應(yīng)力較大一些，設(shè)計(jì)采用Q345 鋼材滿足要求。

圖7 底板縱橋向應(yīng)力－恒載

圖8 底板橫橋向應(yīng)力－恒載

圖9 底板Mis e s 應(yīng)力－恒載

圖10 底板Mis e s 應(yīng)力－標(biāo)準(zhǔn)組合

2.3 動(dòng)力分析

動(dòng)力分析目的是獲取橋梁前幾階振動(dòng)頻率及振型，圖11 為主橋一階振型，結(jié)構(gòu)基頻為1.138 Hz，對(duì)應(yīng)振型為拱肋一階面外側(cè)彎。主橋前5 階頻率及對(duì)應(yīng)振型名稱見表1。

圖11 拱肋一階面外側(cè)彎（第1 階）

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果匯總表

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果，主橋結(jié)構(gòu)體系及質(zhì)量、剛度均屬于合理范圍之內(nèi)，基于此計(jì)算結(jié)果針對(duì)主拱肋及主梁布置加速度傳感器，后期基于監(jiān)測數(shù)據(jù)使用模態(tài)分析方法識(shí)別結(jié)構(gòu)頻率、振型和阻尼比。

2.4 穩(wěn)定分析

采用MIDAS 軟件，計(jì)算模型與靜力計(jì)算模型相同。本文采用第一類線彈性穩(wěn)定計(jì)算方法，計(jì)算方程為：

即將穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為求方程的最小特征值問題。

本次分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要考察運(yùn)營階段，詳細(xì)的荷載工況以及組合見表2，考慮到本橋?qū)捒绫容^小，不單獨(dú)考察活載偏載情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表2 荷載組合工況

計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)營階段兩種工況下的前三階整體失穩(wěn)模態(tài)（計(jì)算結(jié)果不考慮橋面板的局部失穩(wěn)模態(tài)）基本一致，出現(xiàn)的情況均為拱肋的面外失穩(wěn)（見表3）。

表3 整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明，雖然前幾階失穩(wěn)模式均為主拱肋面外失穩(wěn)，但最小穩(wěn)定安全系數(shù)也大于25，結(jié)構(gòu)有足夠的安全系數(shù)。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

澄浪橋健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)所依據(jù)的基本原則是該系統(tǒng)能應(yīng)對(duì)澄浪橋在施工和運(yùn)營過程進(jìn)行合理、有效的監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)管理；在保證建設(shè)和運(yùn)營各個(gè)階段相關(guān)系統(tǒng)的有序銜接和協(xié)調(diào)統(tǒng)一的條件下進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)；以所獲取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來提供反應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)情況的安全信息；基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析和結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)安全和行車安全提供保障體系。

參考國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念方法[2-10]，結(jié)合澄浪橋的具體情況，對(duì)澄浪橋采用監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)并行的方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性：即所采集的信息能夠保證橋梁安全正常運(yùn)營，同時(shí)兼顧儀器的耐久性與造價(jià)；

（2）系統(tǒng)的可靠性：所建立的結(jié)構(gòu)安全綜合管理系統(tǒng)具有較高的可靠性；

（3）系統(tǒng)的適用性：系統(tǒng)的主要作用在于保障結(jié)構(gòu)安全和行車安全，并且可以用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)和管理；

（4）系統(tǒng)的前瞻性：系統(tǒng)具有前瞻性，充分考慮未來一段時(shí)間的技術(shù)進(jìn)步，為系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)做適當(dāng)預(yù)評(píng)估；

（5）系統(tǒng)的全面性：除了監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)的特性，還考慮人工檢測、BIM 以及Benchmark 模型的讀入與對(duì)接。

3.2 監(jiān)測方案

系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目可劃分為重要環(huán)境荷載監(jiān)測、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測兩大部分：

? E.H.Gombrich,“ An early seventeenth-century canon of artistic excellence：Pierleone Casella's elogia illustrium artificum of 1606”,Journal of the Warburg and Courtauld Institutes,vol.50，1987，pp.224-32.

（1）重要環(huán)境荷載監(jiān)測

包括風(fēng)速風(fēng)向、環(huán)境溫濕度、地震、車輛荷載、結(jié)構(gòu)溫度。

（2）結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性監(jiān)測

包括結(jié)構(gòu)幾何變位、應(yīng)力、吊桿力、支座位移、結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性等。

監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測測點(diǎn)數(shù)量見表4。

表4 實(shí)時(shí)監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)布設(shè)概況表

硬件的布置通常根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及靜力易損部位。動(dòng)力特性包括：盡可能多地識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)信息；結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)較大的位置；構(gòu)件存在疲勞或容易失效部位；與輸出相關(guān)聯(lián)的位置，如承臺(tái)處。靜力響應(yīng)包括：鋼混結(jié)合段鋼拱肋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力；主梁關(guān)鍵斷面應(yīng)力；橫梁應(yīng)力；吊桿應(yīng)力；橋面板應(yīng)力。

健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體布置見圖12。

圖12 傳感器總體布置圖（單位：cm）

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)集成

澄浪橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，其重要任務(wù)是獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，基于監(jiān)測信息的評(píng)估結(jié)果老有效獲取結(jié)構(gòu)和行車的安全情況等信息，為提供結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)營等卓有成效的解決方法。為了更好地完成上述任務(wù)，在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)核心內(nèi)容分為以下5個(gè)大的子系統(tǒng)，詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)見圖13。

（2）人工巡檢系統(tǒng)。

（3）在線評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)。

（4）用戶界面系統(tǒng)（包括BIM、Benchmark 模型以及有限元模型的對(duì)接）。

（5）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。

圖13 澄浪橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成要素圖

4 結(jié) 論

本文通過調(diào)研國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)案例，了解最新監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，建立了無風(fēng)撐系桿拱橋有限元模型，計(jì)算其恒載及各種組合下的靜力響應(yīng)，得到拱肋系、主梁、橫梁及吊桿在各工況下的內(nèi)力和應(yīng)力，總結(jié)得到應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)布置位置；計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，獲得其主要振動(dòng)頻率和振型，為動(dòng)力監(jiān)測測點(diǎn)布置提供依據(jù)；通過結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析，獲得其失穩(wěn)系數(shù)。

在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上，將無風(fēng)撐系桿拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容分為環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測兩大部分，該監(jiān)測方案同時(shí)考慮后續(xù)BIM 與Benchmark 模型的接入。該方案的實(shí)施可獲得橋梁正常運(yùn)營技術(shù)狀況，為后續(xù)同類橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。