病害監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁工程中的應用

王一平 （南京科興工程建設項目管理有限責任公司，江蘇 南京 210039）

1 橋梁概況

提水站橋位于南京市六合區(qū)淮六線S247，跨金牛湖提水站取水河道，橋梁中心樁號為K125+600，橋跨布置為：1×42.4m，橋梁全寬17.0m，設計荷載等級為汽-20，掛車-100。上部結(jié)構(gòu)為混凝土剛架拱，下部結(jié)構(gòu)為輕型橋臺，挖孔灌注樁基礎，橋面為瀝青混凝土鋪裝。主橋立面見圖1，主橋橫斷面見圖2。

圖1 提水站橋立面圖

圖2 提水站橋橫斷面圖

2 橋梁結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 病害監(jiān)測系統(tǒng)簡介

病害監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分，其中硬件部分包括：①傳感器系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)；④數(shù)據(jù)收集及存儲系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括監(jiān)控中心上位機上的病害監(jiān)測軟件系統(tǒng)和遠程計算機上基于數(shù)據(jù)深度處理的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別系統(tǒng)等。橋梁現(xiàn)場主要由傳感器和采集模塊獲得響應的實時數(shù)據(jù)，然后通過4G網(wǎng)絡傳輸至遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)。此外，用戶可以通過手機、Pad等移動手持設備訪問在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，隨時隨地獲取橋梁動態(tài)指標。

2.2 病害監(jiān)測系統(tǒng)風險警報

該橋病害監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)址：http://testelectron.eicp.net:10800/ST004736/login.jsp。在該系統(tǒng)中，根據(jù)剛架拱橋的結(jié)構(gòu)特點和橋梁結(jié)構(gòu)相應的設計、養(yǎng)護規(guī)范，預先設定監(jiān)測項目指標的限值，并在該系統(tǒng)中留下橋梁管理人員的聯(lián)系方式，當監(jiān)測數(shù)據(jù)大于設定的限值時，系統(tǒng)就會自動將超限的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)到監(jiān)管人的手機上，提醒管理人員加強注意，應對風險。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)范，拱橋的跨中豎向撓度的限值為L/800（L為計算跨徑），即提水站橋跨中撓度的限值為5.3cm，拱橋上弦桿的橫豎向裂縫的限值為0.25mm。

3 監(jiān)測項目的實施

3.1 監(jiān)測的必要性

經(jīng)近幾年對提水站橋的定期檢測，發(fā)現(xiàn)提水站橋的上部結(jié)構(gòu)存在較多問題，其中裂縫、破損現(xiàn)象最為突出，且拱片裂縫、橫系梁破損病害數(shù)量在不斷增加，已有病害破壞程度也在不斷惡化。簡單列舉了提水站橋上部結(jié)構(gòu)典型病害，見圖3～圖8。

圖3 1#拱片拱頂橫向開裂

圖4 2#弦桿底面距1#臺8m處橫向裂縫，寬約0.12mm

圖5 6#弦桿底面距1#臺8m處橫向裂縫

圖6 5#弦桿底面距1#臺8m處橫向裂縫

圖7 3#弦桿側(cè)面距1#臺8.3m處豎向裂縫，寬約0.1mm

圖8 7#弦桿底面距1#臺8m處橫向裂縫，寬約0.08mm

通過對提水站橋病害的檢測和分析發(fā)現(xiàn)，橋梁普遍且嚴重的病害有：拱片拱頂橫向開裂，部分裂縫延伸至腹板，有的裂縫進行了砂漿修補處理，但也已重新開裂；其次，拱片空腹段上弦桿底面橫向裂縫，部分裂縫延伸至腹板，該裂縫的共同點是離1#橋臺的距離相近，裂縫位置接近同一截面處；再次，剛架拱片的大節(jié)點、小節(jié)點處受力復雜，應力集中現(xiàn)象明顯，裂縫較普遍；最后，0#臺處拱片間橫向聯(lián)系出現(xiàn)破損、裂縫病害，部分微彎板斜向開裂。再要補充的是：拱腳埋入泥土中，無法檢測，拱腳與橋臺連接處負彎矩較大，也是拱片的薄弱部位，同時提水站橋結(jié)構(gòu)較老舊，承載能力較低。綜上，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全和行車舒適度，減小振動損害，對該橋進行裂縫、撓度監(jiān)測十分必要。

3.2 監(jiān)測項目及監(jiān)測斷面具體位置

據(jù)橋梁檢測結(jié)果、剛架拱橋的受力特點和結(jié)構(gòu)風險評估確定病害監(jiān)測的內(nèi)容為拱片裂縫寬度、拱片拱頂撓度。測試拱片截面位置和測試項目見表1，具體監(jiān)測斷面位置見圖9～圖12。

各監(jiān)測截面及監(jiān)測項目 表1

圖9 1#、4#、7#拱片拱頂撓度測點示意圖

圖10 2#拱片弦桿底面裂縫測點示意圖

圖11 3#拱片弦桿左側(cè)側(cè)面裂縫測點示意圖

圖12 7#拱片弦桿底面裂縫測點示意圖

3.3 監(jiān)測設備

2#、3#、7#拱片弦桿裂縫寬度監(jiān)測采用TZT-20L(B)4-20mAW裂縫計，實物圖見圖13；1#、4#、7# 拱片拱頂豎向撓度監(jiān)測采用TZT-1000A液壓式靜力水準儀，實物圖見圖14，兩種儀器的主要性能指標見表2。

圖13 TZT-20L(B)4-20m AW裂縫計

圖14 TZT-1000A液壓式靜力水準儀

監(jiān)測設備主要性能指標 表2

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

提水站橋現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過4G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)綐蛄翰『υ诰€監(jiān)測管理系統(tǒng)。我們設計的裂縫寬度和拱頂撓度監(jiān)測頻率都是1小時一組數(shù)據(jù)，現(xiàn)將2020年度6月份的裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析后繪制成圖，見圖15；6月份的撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析后繪制成圖，見圖16。

圖15 受測弦桿裂縫寬度6月時程曲線圖

圖16 受測拱片拱頂撓度6月時程曲線圖

由圖15可知，2#、7#拱片上弦桿的裂縫寬度值相對波動較小，3#弦桿的裂縫寬度起初增長較快，后來漸漸趨于平穩(wěn)，且寬度均在0.2mm以內(nèi)，符合限值要求；由圖16 可知，1#、4#、7# 拱片拱頂豎向撓度值均在2.5cm以內(nèi)，滿足限值要求，且除個別時間點外，撓度波動幅度基本穩(wěn)定，橋梁剛度狀況滿足要求，行車較為舒適。

5 總結(jié)

本病害監(jiān)測系統(tǒng)可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的實際病害進行針對性的跟蹤監(jiān)測，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、行車舒適性保駕護航。此外，若想全面了解此橋的健康狀況和承載能力，可以在橋梁主要構(gòu)件的控制截面上設置應力應變傳感器，將實測值與理論值進行對比分析即可；同時，若想更加精確地掌握橋梁結(jié)構(gòu)的剛度特性，保證行車的舒適性和安全性，僅僅活載撓度指標是不夠的，還必須對橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應參數(shù)（振動頻率、振幅、振動速度和振動加速度）進行監(jiān)測分析，其中振動加速度對人的舒適性感覺影響最大；最后，由于拱橋是一種受壓結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題也不能忽略。