基于動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的T形梁結(jié)構運營狀態(tài)研究

劉勝超，杜建濤

（1.天津生態(tài)城綠色交通有限公司，天津 300467；2.天津市交通科學研究院，天津 300074）

橋梁在服役期內(nèi)受車輛荷載疲勞效應、環(huán)境腐蝕和材料老化等因素耦合作用，不可避免地產(chǎn)生結(jié)構損傷累積和抗力衰減[1]。為避免橋梁結(jié)構出現(xiàn)脆性破壞，開展結(jié)構評估，掌握結(jié)構真實運營狀態(tài)很有必要。常規(guī)的橋梁結(jié)構評估是借助便攜式儀器進行人工目測檢查。對于需要重點關注的橋梁，常規(guī)的檢查方法具有局限性，主要表現(xiàn)：

1）檢查工作需要大量人力、物力的支持和配合，由經(jīng)驗豐富的檢測工程師利用登高車、橋梁檢測車等措施對構件近距離查看；

2）以單一構件為對象，只能提供局部的監(jiān)測和診斷信息，需要經(jīng)驗豐富的檢測工程師對大量數(shù)據(jù)進行篩選、整合、分析，才能獲取全面、完整的結(jié)構健康評估信息；

3）周期長、時效性差，橋梁結(jié)構的檢查周期可達數(shù)年，在有重大事故或嚴重自然災害的情況下，不能提供即時信息。

橋梁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成了先進物聯(lián)網(wǎng)、通信、數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術，通過現(xiàn)場布設的傳感器感知橋梁環(huán)境、交通荷載和結(jié)構響應，面向橋梁全壽命期不同應用場景進行監(jiān)測，及時通過數(shù)據(jù)分析和對比，發(fā)現(xiàn)可能導致事故的異常參數(shù)并及時報警；同時，能夠長期不間斷地對橋梁狀態(tài)進行監(jiān)測，完整記錄突發(fā)事件過程，便于事后評估處理[2]。因此，針對橋梁運營期間結(jié)構的安全性、耐久性和適用性等，建立一個針對橋梁結(jié)構的健康監(jiān)測系統(tǒng)是有必要的。

結(jié)構安全預警子系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分之一，通過將橋梁結(jié)構在車輛等荷載作用下的響應值與理論計算值進行對比，評估結(jié)構的安全狀況，判斷結(jié)構是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，根據(jù)既定的邏輯判斷關系對結(jié)構運行狀態(tài)的變化進行預警，及時提醒養(yǎng)護人員提前采取防范措施。預警是否及時和準確，直接影響到動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果，為確定監(jiān)測系統(tǒng)的預警值，國內(nèi)外學者做了大量研究工作，主要對有限元模型參數(shù)進行修正，使計算模型盡可能與結(jié)構真實狀態(tài)相符[3]，在保證系統(tǒng)有效性的前提下，盡可能減少計算工作量。

本文以一座裝配式預應力混凝土T形梁橋為例，詳細介紹橋梁結(jié)構響應參數(shù)預警值的計算方法及監(jiān)測系統(tǒng)測點布置原則，利用系統(tǒng)采集的某一周期內(nèi)全時數(shù)據(jù)，對結(jié)構應力、裂縫變化情況進行分析、研究，以期為同類型項目提供借鑒。

1 工程概況

擬研究橋梁由結(jié)構基本相同的兩幅獨立橋組成，全長3 807 m、全寬26 m，上部結(jié)構為現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱形梁和30 m裝配式預應力混凝土T形梁。

2 結(jié)構安全預警值建立

建立對應橋梁初始狀態(tài)的基準模型，計算設計荷載作用下最不利工況的結(jié)構參數(shù)理論變化值，以此為基準確定橋梁結(jié)構參數(shù)的閾值。當結(jié)構響應超過閾值時，預警系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值發(fā)送不同級別的預警。

單梁受力是裝配式結(jié)構的“致命”病害，當橋梁出現(xiàn)單梁受力現(xiàn)象時，在重載、超載車輛的作用下可能會導致橋梁結(jié)構出現(xiàn)斷板，甚至橋梁垮塌的事故。本文利用有限元分析軟件Midas/Civil，計算橋梁發(fā)生單梁受力時的預警值。

2.1 結(jié)構計算參數(shù)

混凝土強度等級為C48，重度26 kN/m3；橋面鋪裝層為8 cm厚瀝青混凝土，重度24 kN/m3；防撞墻每延米混凝土0.32 m3，重度24 kN/m3；汽車荷載為汽車-超20級，掛車-120；混凝土結(jié)構體系溫差為34℃（升溫）、-10℃（降溫）；主梁上下緣日照溫差為10℃。

2.2 預警值計算

采用兩級預警[4]：一級預警表示橫隔板正常工作，各主梁之間為剛接，此時橋梁結(jié)構對應正常使用極限狀態(tài)；二級預警表示橫隔板連接失效，各主梁之間為鉸接，此時橋梁結(jié)構出現(xiàn)單梁受力的趨勢。

兩級預警發(fā)生時主梁橫向傳力模式對應不同橫向分布系數(shù)計算理論，分別為剛接板梁法和鉸接板梁法[5]，因此模擬T形梁橫隔板正常工作和連接失效兩種狀態(tài)。各主梁橫向分布系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 主梁橫向分布系數(shù)

對比表1鉸接板梁法、剛接板梁法橫向分布系數(shù)可知，橫隔板完好狀態(tài)下邊梁分擔更多荷載，代表邊梁的更不利狀態(tài)，因此對于邊梁只設置1級預警值。將橫向分布系數(shù)應用到有限元單梁模型中，計算結(jié)果顯示汽車荷載中掛車荷載效應起控制作用。見圖1。

圖1 荷載作用下T形梁應力

掛車荷載作用下各主梁應變閾值見表2。

表2 主梁應力預警值MPa

3 T形梁動態(tài)監(jiān)測分析

根據(jù)歷年橋梁檢測結(jié)果及病害分析，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)安裝的傳感器包括應變傳感器、裂縫計和環(huán)境溫度傳感器，分別對T形梁跨中腹板和橫隔板的應力、T形梁腹板豎向裂縫和斜裂縫寬度以及傳感器位置環(huán)境溫度進行動態(tài)監(jiān)測。

選取主梁跨中截面作為控制截面，在每根主梁底部布置一個應變傳感器，安裝于梁底混凝土，在橫隔板布置應變傳感器；監(jiān)測結(jié)構的應變及裂縫變化；共計15個測點。見圖2和圖3。

圖2 T形梁應變測點編號

圖3 裂縫測點編號

3.1 結(jié)構應變分析

除mcu1-05測點外，T形梁應變變化量在120以內(nèi)，橫隔板應變變化量基本在100以內(nèi)。見表3。

表3 結(jié)構應變統(tǒng)計

mcu1-05傳感器由車輛荷載引起的最大數(shù)值為1 047。經(jīng)現(xiàn)場確認，mcu1-05傳感器監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)了結(jié)構受力裂縫，折算裂縫寬度變化為0.16 mm，車輛通過后梁體裂縫恢復到初始狀態(tài)，梁體處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構安全[6]。

3.2 結(jié)構現(xiàn)存裂縫變化情況

T形梁腹板裂縫寬度變化在0.05 mm以內(nèi)，與溫度負相關，隨溫度升高而減小，溫度降低而增大，裂縫寬度變化主要受溫度影響。見圖4。

圖4 mcu1-10號測點裂縫寬度時程曲線

橫隔板裂縫寬度變化在0.12 mm以內(nèi)，與溫度負相關，隨溫度升高而減小，溫度降低而增大，T形梁橫隔板裂縫寬度變化受車輛荷載影響大于受溫度影響。見圖5。

圖5 mcu1-13號測點裂縫寬度時程曲線

綜上，T形梁應變均小于閾值，結(jié)構處于安全狀態(tài)；T形梁應變、裂縫寬度，橫隔板裂縫寬度與溫度呈負相關；橫隔板應變與溫度呈正相關。

4 結(jié)論

1）橋梁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構異常狀態(tài)進行報警的前提是準確輸入預警值。本文提出針對單梁受力的預警值建立方法，對相關工程具有一定的借鑒意義。

2）當監(jiān)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常值時，應采用現(xiàn)場復查與計算分析相結(jié)合的方法，查明數(shù)據(jù)異常的原因并深挖數(shù)據(jù)反映的結(jié)構狀態(tài)。