某重載鐵路連續(xù)剛構橋梁健康監(jiān)測方案設計

陳興權，王 瑩，楊宏印*，3，王亞飛，李培濤

1. 武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430074；2. 武漢臨空經(jīng)濟區(qū)建設投資開發(fā)集團有限公司，湖北 武漢430000；3. 橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢430034；4. 中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢430034

近年來，隨著重載鐵路列車速度及軸重的提升［1］，在列車行進過程中，結構安全性問題受到人們持續(xù)關注。橋梁作為重載鐵路的關鍵工程，了解并實時掌握在役橋梁的運營狀態(tài)，是保證橋梁的使用安全和延長其使用壽命的有效策略。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)自20世紀80年代引入中國后，取得了飛速發(fā)展，大部分特大型橋梁（濱州黃河公路大橋［2］、石濟客專濟南黃河公鐵兩用特大橋［3］、青馬大橋、潤揚大橋、蘇通大橋、虎門二橋和港珠澳大橋等［4］）都安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測是保證橋梁安全運營的重要手段［5］。傳統(tǒng)的管養(yǎng)體系主要以人工定期巡檢為主，一是缺乏與運維安全相關指標的實時監(jiān)測，二是由于結構體量和橋位環(huán)境等因素，難以保持高頻度的巡檢，這使得運維管理工作對網(wǎng)絡化、區(qū)域化和實時性監(jiān)管技術的需求日益迫切［6］。與傳統(tǒng)橋梁鑒測技術相比，橋梁健康監(jiān)測具有省人力、可預見性及大數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，因此被廣泛應用于各類橋梁結構中。重載鐵路橋梁因其地域廣、主體大及檢測難度高等特點，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮的作用尤為重要。

某重載鐵路連續(xù)剛構橋因施工過程中出現(xiàn)較為嚴重病害，經(jīng)加固補強后，該橋于2014 年正式投入運營，同時埋設了相應的傳感器以實時監(jiān)測橋梁結構的安全狀態(tài)。本文基于該橋特殊的成橋過程，通過溫度、應力、變形和振動等參數(shù)，著重從設計原則、數(shù)據(jù)監(jiān)測、測點布設及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架構等方面進行設計，進而得到基于該橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以期為相關工程提供參考，實景如圖1所示。

圖1 某重載鐵路連續(xù)剛構橋（96 m+132 m+96 m）實景圖Fig. 1 Real picture of heavy haul railway bridge（96 m+132 m+96 m）

1 工程概況

該橋位于大準增二線，為重載鐵路橋梁。主橋為三跨預應力鋼筋混凝土連續(xù)剛構橋，跨度組成為96 m+132 m+96 m，邊、中跨比為0.72，主梁為單箱單室變截面連續(xù)箱梁，實行單線鐵路運輸，設計荷載為中活載，驗算荷載為中長跨荷載［7］，下部結構為矩形空心墩及鉆孔灌注樁基礎。施工過程中該橋在張拉箱梁底板預應力鋼束時出現(xiàn)了底板混凝土崩裂、脫落的情況，后經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)橋梁存在預應力管道破損、混凝土強度不足以及混凝土蜂窩等病害。針對上述病害問題，對該橋進行了加固補強工程，主要措施如下：①11#墩邊跨及中跨底板崩裂修復；②10#墩邊跨預防性處理；③針對全橋蜂窩、麻面，空洞、孔洞及裂縫等進行全橋性缺陷修復；④對全橋表面進行涂裝處理。

為了解和掌握該橋成橋后的運營安全狀態(tài)，現(xiàn)對該橋運營期間的關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測。橋梁跨徑布置如圖2 所示。

圖2 橋梁跨徑布置圖（單位：cm）Fig. 2 Layout of bridge span（unit：cm）

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)組成及設計

2.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

重載鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包含7 個部分，即傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、預警報警子系統(tǒng)、安全評估子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，各系統(tǒng)協(xié)調配合完成結構評估與養(yǎng)護［8-10］。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖Fig. 3 Work flowchart of bridge healthy monitoring

2.2 設計思路

本文按照“經(jīng)濟性、適用性、有效性”的原則，針對橋梁關鍵截面的相關參數(shù)進行監(jiān)測，以達到對該橋進行健康監(jiān)測的目的。

橋梁健康監(jiān)測的傳感器子系統(tǒng)主要包括光纖光柵溫度、應力、位移傳感器［11］及加速度傳感器，總體布置如圖4 所示，各截面監(jiān)測參數(shù)的傳感器布置數(shù)量如表1 所示。

表1 截面?zhèn)鞲衅鲾?shù)量Tab. 1 Quantity of cross section sensors

圖4 傳感器總體布局圖（單位：cm）Fig. 4 General layout of sensors（unit：cm）

圖4 中：DTS 表示溫度測點；Str-1～Str-9 表示應力測點；Def-1～Def-7 表示撓度測點；ZD-1～ZD-4表示振動測點，其中Def-1（1）表示該截面共布設1個撓度傳感器，其余測點按照類似方法表示。

2.2.1 溫度監(jiān)測 文獻［12］表明，由于橋梁是縱向狹長結構，沿橋梁縱向不同位置具有一致的溫度分布形式。故考慮到經(jīng)濟因素，選擇邊跨跨中截面布置溫度傳感器，傳感器選用光纖光柵溫度傳感器，采用實時監(jiān)測，頻率為10 min/次。溫度傳感器布置如圖4 和圖5 所示。

圖5 溫度傳感器布置圖（單位：cm）Fig. 5 Layout of temperature sensor（unit：cm）

2.2.2 應力監(jiān)測 結構應力是判斷結構安全最直接的指標，應力的超限或異常將會對橋梁產(chǎn)生破壞，通過應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所得到的動應力及動力系數(shù)可以反映橋梁的主要受力情況。方案選取橋梁關鍵截面，采用跨中對稱布置，傳感器選用光纖光柵應力傳感器，頻率為5 min/次。應力傳感器布置如圖4 和圖6 所示。

圖6 應力傳感器布置圖：（a）Str-1 和Str-9 截面，（b）Str-3 和Str-7 截面，（c）其余應力截面Fig. 6 Layout of stress sensor：（a）section of Str-1 and Str-9，（b）section of Str-3 and Str-7，（c）other stress sections

2.2.3 變形監(jiān)測

1）主梁變形監(jiān)測。鐵路橋梁在列車荷載作用下的撓度表征了橋梁的變形能力，是直接衡量橋梁豎向剛度的指標［13］，其中結構變形是結構狀態(tài)改變最靈敏與最精準的反應，因此對結構變形進行監(jiān)測能夠更準確地把握結構內(nèi)力狀態(tài)的改變，故對橋梁關鍵截面進行變形監(jiān)測是有必要的。方案選取橋梁關鍵截面，并以11#墩頂為基準點，采用跨中對稱布置，撓度傳感器選用光纖光柵位移傳感器，頻率為1 Hz。撓度傳感器布置如圖7 所示，圖8 為某時段C64、C70 及C80 列車經(jīng)過橋梁時，橋梁跨中撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖7 撓度傳感器布置圖Fig. 7 Layout of deflection sensor

圖8 某時段橋梁跨中撓度數(shù)據(jù)Fig. 8 Deflection data of bridge midspan in certain period

2）伸縮縫變形監(jiān)測。橋梁在多種荷載作用下將會產(chǎn)生一定的位移，對伸縮縫進行變形監(jiān)測是判斷橋梁位移的最直觀途徑。對橋梁縱向兩側（大樁號側和小樁號側）伸縮縫的橫向錯位及其本身間隙進行監(jiān)測，同時在橋梁上游和下游各布設1 個測點，共計4 個伸縮縫變形監(jiān)測點，頻率為10 min/次，伸縮縫變形監(jiān)測如圖9 所示。

圖9 伸縮縫變形監(jiān)測圖Fig. 9 Deformation monitoring chart of expansion joint

2.2.4 振動監(jiān)測 橋梁的振動監(jiān)測不僅反映了橋梁的安全運營狀態(tài)，同時也更直觀地呈現(xiàn)了橋梁各構件的實際狀態(tài)［14］。方案選取橋梁關鍵截面，其中邊跨及中跨跨中截面布置橫向及豎向加速度傳感器，10#墩頂布置橫向及縱向加速度傳感器，共計8 個振動測點，采樣頻率為40 Hz。振動傳感器 布 置 如 圖4 所示，圖10 為 某時段C64、C70 及C80 列車經(jīng)過橋梁時，橋梁跨中振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，很好地描述了橋梁在列車作用下橋梁跨中的振動情況，達到了該橋梁健康監(jiān)測方案設計的要求。

2.2.5 閾值的設置 本橋采用2 種方法設置橋梁健康監(jiān)測的閾值，即數(shù)值計算法和實時監(jiān)測統(tǒng)計分析法。數(shù)值計算閾值是按橋梁基準有限元模型（依據(jù)荷載試驗修正初始有限元模型）在活載作用下的結構撓度，同時對該閾值進一步劃分，取0.75活載效應作為一級預警閾值，取活載效應計算值作為二級預警閾值，然而對于閾值的設定并不是永久固定的，需要根據(jù)橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，適時更新結構預警閾值，其中實時監(jiān)測統(tǒng)計分析方法最為有效，其通過高通濾波，剔除長周期溫度的影響，采用3σ 原則構建結構正常運行狀態(tài)閾值，以撓度為主，應力為輔，將結構應力日常波動閾值范圍作為黃色預應閾值第三類指標。該閾值的設置綜合考慮了橋梁的成橋階段及運營階段，較為有效地對橋梁結構的安全狀態(tài)進行把控。

3 結 論

本文針對某重載鐵路連續(xù)剛構橋的特殊成橋過程，對該橋關鍵截面的荷載作用及結構響應進行實時監(jiān)測，并詳細介紹橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程，完成了對該橋溫度、應力、變形及振動等參數(shù)的監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行處理及分析，由預警報警子系統(tǒng)來判斷橋梁的健康狀態(tài)，最終自動錄入到安全評估系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，從而完成對整座橋梁的健康監(jiān)測。

1）重載鐵路橋梁具有地域形式復雜、外部環(huán)境多樣及檢測難度大等特點，伴隨并利用技術的多樣化，對某些特殊及重要的重載鐵路橋梁（如本文提到存在特殊成橋過程的橋梁），進行針對性的健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝是必要和有意義的。

2）重載鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要考慮橋梁具體的結構形式來合理地分配需要監(jiān)測的參數(shù)，以免過多地浪費社會資源。

3）重載鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中預警報警子系統(tǒng)閾值的設置需考慮多方面因素來合理地設置，確保橋梁在運營期間的健康狀態(tài)。

4）本文基于該橋的特殊成橋過程，從設計原則、數(shù)據(jù)監(jiān)測、測點布設及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架構等方面進行設計，以期為相關工程提供參考。