基于建養一體化理念的鋼混疊合梁橋結構監測研究

李維俊

（無錫交通建設工程集團有限公司， 江蘇 無錫 214100）

0 前言

目前我國對于鋼混疊合梁橋的研究大多集中于索結構橋梁、異形橋梁等復雜橋梁[1-3]，對于信息化監控較多停留在數據采集階段，而對于如何分析監控數據，以及監控數據分析結果對工程施工的指導與決策仍處于空白。國內對橋梁施工過程中監測，以及運營后的健康監測均有相應的研究[4-6]，但如何實現施工與運營期監測一體化，利用全過程的數據進行結構穩定分析同樣處于研究空白。

以鎮澄路中段（諫壁閘橋至鶯歌橋段）的拓寬改造工程中60m鋼混疊合梁橋為依托，在分析鋼混疊合梁結構特點的基礎上，開展橋梁從施工期到運營期全過程的結構監測研究，通過對橋梁長期監測數據分析，為類似橋梁的設計、施工、運營及養護提供參考。

1 鋼混疊合梁的特點及建模分析

1.1 鋼混疊合梁的特點

鋼混疊合梁橋的橋面板混凝土和鋼梁之間線膨脹系數有差異，當組合梁橋跨徑較大時，溫度效應使得兩者出現變形差，當該種變形差跟荷載作用導致的變形差累加量超越了剪力鍵的承受范圍，鋼梁與混凝土橋面板之間出現相對滑移，造成梁端剪力連接件出現大的變形；當橋梁需要經常承受重載超載車輛時，因為縱向剪力太大以及疲勞應力幅也過大，使得剪力連接件被剪斷，發生類似情況時組合梁已經退化為疊合梁，失去整體工作性能。因此，對于鋼混疊合梁橋，除了結構應力應變、結構線形、溫度變化等，鋼-混結合面的滑移情況也需要重點關注。

1.2 鋼混疊合梁的建模分析

采用栓單元梁格，對60m跨徑簡支疊合梁模擬建模分析，通過模擬計算，分析橋梁施工期及運營期監測的重點。

（1）主梁應力分析

在應力分析過程中，以主梁就位、二期、移動荷載為主要工況進行分析，各工況分析模型如圖1～圖3，應力分布情況如圖4。

圖1 主梁就位累計應力圖

圖2 二期累計應力圖

圖3 移動荷載作用下應力圖

圖4 各個施工工況下跨中截面應力圖

（2）主梁變形分析

在變形分析過程中，同樣以主梁就位、二期、移動荷載為主要工況進行分析，各工況分析模型如圖5～圖7，變形情況如圖8。

圖5 就位累計變形圖

圖6 二期累計變形圖

圖7 移動荷載作用下變形圖

圖8 各個工況下主梁變形值

從模擬建模分析數據可以發現，在就位、二期和活載工況下，疊合梁橋跨中截面變形大于其他截面變形，4#、5#梁的跨中變形大于其他梁的跨中變形。因此，在施工期及運營期監測中，將重點關注跨中部位，尤其是4#、5#梁的跨中部位。

2 鋼混疊合梁監測系統及監測內容分析

鋼混疊合梁的全過程監測系統由三部分組成，第一部分是傳感器采集設備，采集模塊收集數據信息，通過無線傳輸到第二部分控制中心，進行數據處理、分析，自動生成報表，利用服務器發送結果到第三部分電腦端。

圖9 全過程監測系統拓撲圖

2.1 應力應變監測

為了跟蹤最不利截面應力的變化，保證結構安全，同時驗證應力的分布規律是否與設計假定近似，在疊合梁關鍵受力部位進行應力應變監測。根據諫壁大橋的結構形式和建模模擬結果，共布置6個應變（應力）測點，分別位于鋼箱梁底板、頂板、混凝土橋面板上層鋼筋處，應變（應力）測點布置如圖10所示。監測工況有預制主梁（無應力狀態）、主梁就位、施工結構間橫梁、施工濕接縫、二期恒載。

圖10 跨中應變測點布置橫斷面圖

2.2 滑移監測

對于鋼-混凝土疊合梁，兩種材料剛度不同在鋼箱與混凝土板連接部位會產生掀起效應，由于截面上的剪力釘數量眾多，在共同承受剪力時，兩邊剪力釘的剪力會比中間剪力釘大，兩邊剪力釘會早于中間剪力釘而破壞，故需要對鋼混連接部位的滑移情況進行監測。根據模擬計算結果，諫壁大橋共布置2個滑移測點，位于現澆混凝土橋面板端部，滑移測試截面縱向布置如圖11，滑移測點布置如圖12所示。

圖11 滑移測試截面縱向布置圖

圖12 滑移測試截面橫斷面圖

2.3 變形監測

對于鋼混疊合梁，主梁變形主要監測的是疊合梁。根據理論計算結果選取測試梁體，每片梁8個監測點，測點位于箱梁底板，測量工況與應變監測相同，測量采用智能傾角儀測量。主梁變形監測點縱向布置如圖13所示。

圖13 變形測點縱向布置圖

3 監測結果分析

3.1 橋梁結構線形分析

監測主梁變形，主要是監測鋼混疊合梁的線形變化。圖 14是諫壁大橋建成半年內的橋梁整體的線形變化曲線。

圖14 諫壁大橋(北幅)建成半年內的線形變化圖

從上圖可以看出，橋梁整體線形良好，呈對稱分布，符合理論計算結果。結合諫壁大橋線型報警指標值，橋梁撓度變化均在安全范圍內，橋梁撓度滿足要求。

3.2 疊合梁滑移分析

對于鋼-混凝土疊合梁，兩邊剪力釘會早于中間剪力釘而破壞。因此，主要監測現澆混凝土橋面板端部的滑移，圖 15是諫壁大橋建成半年內的橋面板端部滑移變化情況。

圖15 諫壁大橋(北幅) 建成半年內的滑移曲線

3.3 鋼箱梁應變分析

為了跟蹤最不利截面應力的變化，保證結構安全，同時驗證應力的分布規律是否與設計理論吻合，在疊合梁關鍵受力部位進行應力應變監測，圖16是諫壁大橋（北幅）鋼-混疊合梁橋箱梁跨中截面應變曲線。可以發現除個別點外，鋼箱梁主要承受拉應力。

圖16 諫壁大橋(北幅)建成半年內鋼箱梁應變變化曲線圖

4 小結

依托鎮澄路中段（諫壁閘橋至鶯歌橋段）的拓寬改造工程中60m鋼混疊合梁橋，布設全過程監測系統，實現了對鋼混疊合梁的遠程數據自動采集并實時分析橋梁狀態的目標。通過實時監測得到豐富的數據樣本，對監測數據進行系統分析，達到對橋梁結構自動、實時的安全監測，為今后類似橋梁的全過程監測提供借鑒。