基于物聯網的拱橋動靜力分析與實時監測技術研究
——以福建金溪大橋為例

鄭國和

(福建船政交通職業學院土木工程學院,福建 福州 350007)

0 引言

近年來,隨著我國公路工程建設的蓬勃發展,鋼管混凝土拱橋的建設也進入了一個大發展時期[1-2]。基于大型拱橋多變的外部環境和復雜的結構,研究如何通過橋梁健康監測預判其力學性能和行為規律,提升拱橋施工及運營階段的結構安全性、可靠性,已成為國內外學者關注的重點[3-4]。傳統的人工檢測方法存在設備落后、缺乏客觀依據、不能實時預警、整體性差等缺點[5]。現代橋梁健康監測技術不僅可通過結構的動靜力性能分析,預先進行結構損傷識別,及時發現病害隱患,減少維修費用,降低事故損失,同時也為檢驗橋梁的理論研究、計算假定、新設計理論的形成提供重要參考依據[6-7]。

橋梁健康監測概念的提出是在20世紀90年代中后期[8]。1997年Housner 團隊[9]提出了“工程結構健康監測是一種在對工程結構特性無損傳感和分析的基礎上,判斷被監測結構部位的損傷情況的技術”。2009年Farrar 團隊[10]研究針對荷載監測提出更為全面的工程結構健康監測定義,并將傳感設備嵌入結構或材料中,實現對結構荷載、損傷狀態的記錄、分析、定位和預測。在國內,香港青馬大橋是首座運用結構健康監測的大橋,李兆霞教授團隊[11]對該橋進行有限元建模及仿真分析,闡述損傷力學及其在結構工程中的應用,評估得出該橋健康監測的結構狀態。李愛群團隊[12]針對潤揚長江公路大橋建立了一套健康監測與安全評估系統,對橋梁的幾何狀態、靜動力響應、交通荷載狀況進行實時監測,進一步推進了橋梁健康監測技術的發展。據不完全統計,我國已安裝健康監測系統的橋梁有300 余座[8]。但目前橋梁健康監測技術仍有不足,如暫無可對橋梁損傷做出評價的行業通用綜合性指標,部分構件缺損對橋梁整體結構的影響仍不能準確評估等[13]。

為此,本文選取福建金溪大橋作為研究對象,將該橋合理簡化,進行不同組合下的靜載和動載試驗,測量大橋的撓度、應變、應力、裂縫,分析得出應力的較大部位,確定危險位置,布置傳感器,進行實時監測,最終作出結構損傷診斷,從而為大橋病害的有效防治提供科學依據。

1 工程背景

金溪大橋位于國道福蘭線(G316)南平市順昌縣境內金溪出口處,上部結構為5 m×50 m 剛架拱橋,中心樁號K241+835,全長286.8 m,其設計技術標準為:(1)橋面寬度17.5 m,其中護欄0.5 m、人行道3 m、車行道14 m;(2)荷載等級:汽車20 級,掛車100 級,人群荷載3.5 kN/m2;(3)橋面橫坡:1.5%,雙向橫坡;(4) 行車限速:40 km/h。

剛架拱肋為預制構件,采用30 號混凝土,除實腹段的底弧采用二次拋物線,其余均為直線構件,每跨橫向6 片組成,全橋共30 片。橫梁采用預制構件,分為Ⅰ型和Ⅱ型,均采用40 號混凝土,相鄰拱肋間采用20 道橫梁聯結。肋腋板(含懸臂板)為預制構件,分為標準塊件和端部塊件,均采用30 號混凝土,安裝在裸拱肋之間,懸臂板安裝于邊拱肋外側。肋腋板以上的現澆混凝土為填平層,填平層以上為橋面鋪裝。下部結構橋墩采用實體式砼墩及明挖擴大基礎或承臺鉆孔灌注樁基礎,橋臺采用空心式砼臺及明挖擴大基礎或承臺鉆孔灌注樁基礎。金溪大橋實景如圖1所示。

圖1 金溪大橋實景圖

2 有限元理論分析

采用Midas Civil 有限元模擬軟件對金溪大橋建立三維空間有限元模型。由于橋梁結構各部位受力不同,采用變截面空間梁單元進行模擬,以提高有限元計算精度,如圖2所示。

圖2 金溪大橋全橋三維空間有限元計算模型

在橋梁有限元分析中,必須考慮其自重和活載的組合。橋梁的最不利受力狀態:均布荷載在影響線最大處;集中荷載布置在對應的影響線最大處。考慮模型的空間效應,在橫橋向的荷載需要轉換成等效節點荷載。根據設計規范[14],運用Midas Civil 有限元軟件計算結構的內力與位移影響線,分析大橋在自重和設計荷載作用下的撓度及其縱向彎曲應力分布情況,與試驗數據進行比對。

3 靜、動載試驗分析

在實際車輛通過產生的荷載作用下,測量橋梁的撓度、應變、應力、裂縫等,通過分析比較,評價橋梁的結構性能、動力特性。

3.1 靜載試驗

3.1.1 試驗方案

施加的試驗荷載汽車20 級,掛車100 級,人群荷載3.5 kN/m2。根據規范的要求[14],結合大橋實際情況,選取第5 跨拱頂截面、1/4 截面以及第3 跨拱頂截面進行靜載試驗,控制截面和測試內容見表1。

表1 控制截面和測試內容

試驗截面位置與測點布置包括:第3 跨靜載試驗應變測試截面布置,第5 跨靜載試驗應變測試截面布置、撓度測試截面布置,Ki截面應變測點布置,K3 截面應變測點布置、Kfi截面撓度測點布置。其中Ki截面應變測點布置如圖3所示。

圖3 Ki 截面應變測點布置示意圖(i 為1～2)

3.1.2 試驗結果

(1)應變測試結果

在荷載作用下的應變測試結果如表2所示。

表2 K1 截面正彎作用下應變測試結果(正載)

(2)撓度測試結果

在荷載作用下的撓度測試結果如表3所示。

表3 K1 截面正彎作用下應變測試結果(正載)

(3)靜載測試結論

本次靜載試驗荷載效率在0.87～1.03,可用于試驗評價。金溪大橋的控制截面應變測試值＜理論值,其中校驗系數在0.50～1.00,荷載卸除后的殘余應變＜20%;控制截面的撓度值＜理論值,撓度校驗系數位于0.40～0.79,荷載卸除后的殘余變位均＜20%。在荷載增加控制截面及附近均沒有發現新增裂縫,原有裂縫未見發展。

3.2 動載試驗

3.2.1 試驗方案

動載試驗是為了研究車輛駛過橋梁時產生的橋梁和車輛之間的振動耦合問題。試驗主要測量橋梁的頻率、振動方向、阻尼、沖擊系數等結構動力特性和動力響應。

考慮到該橋為5 跨連拱,5 跨作為一個整體,第3 跨和第5 跨所測的頻率一致,因此試驗截面位置與測點布置為:選取第3 跨作為動力特性試驗橋跨,測試該跨振型與理論振型并進行比較。選取試驗橋跨八分點作為動力特性測試截面,采用941B 速度傳感器采集橋梁的豎向振動速度方式進行測試。選取第3 跨最大正彎截面(K1)作為動力響應測試截面,采用1/4 橋測量方式進行檢測。動應變試驗截面示意如圖4所示,其測點布置如圖5所示,模態參數測試截面示意如圖6所示,其測點布置如圖7所示。

圖4 動力響應試驗截面位置示意圖(K1:動應變測試截面)

圖5 動力響應試驗截面K1 測點布置示意圖(測點編號與靜載試驗測點相同)

圖6 第3 跨模態參數測試截面位置示意圖

圖7 第3 跨模態參數測試截面測點布置示意圖

3.2.2 動載試驗結果分析

(1)模態試驗結果

橋梁前六階豎向振動頻率理論計算值與實測頻率值見表4。

表4 橋梁結構動力特性測試結果

由表4可知,橋梁結構豎向前六階理論計算值小于實測頻率值,說明整體剛度滿足要求。

(2)沖擊系數測試結果

當橋梁凈跨50 m,根據《公路橋涵通用設計規范》計算得到沖擊系數μc=0.08。橋梁結構沖擊系數實測結果見表5。

表5 橋梁結構沖擊系數實測結果

由表5可知,按實測最大數值進行計算,即最大μ3=0.132 8,動載試驗效率ηdyn=0.25,μ3×ηdyn=0.033 2,小于設計規范μc=0.08,說明滿足設計要求。

(3)動載試驗數據分析

由模態試驗和沖擊系數測試可知,所檢測橋梁的動力特性和動力響應正常。

4 基于物聯網實時安全系統監測數據分析

結合靜、動載試驗結果,通過對動態、靜態系統理論特點的研究,建立金溪大橋全壽命安全健康監測系統[15],主要是對車輛過橋時橋梁結構的振動響應進行遠程監控,實時在線發送監控數據和分析結果,為全面了解車輛過橋時橋梁的振動情況以及橋梁損傷的診斷提供詳細可靠的數據資料。

監測系統包括傳感器子系統、數據采集及傳輸子系統、數據分析處理及控制子系統、結構預警狀態與評估子系統,如圖8所示。

圖8 橋梁實時監測系統

監測系統設備包括應變傳感器、應變采集箱、傾角傳感器、裂縫傳感器、加速度傳感器、智能云盒、配電箱等輔材和軟件平臺。顯示界面見圖9。

圖9 金溪大橋物聯網監測系統監測數據界面

4.1 測點選擇與傳感器布置

金溪大橋上部的拱肋、橫梁與橋面板等為關鍵部位,是該橋的監測重點。監測點選取應重點考量:(1)剛架拱的變形觀測。監測觀測點的傾角變形,判斷拱圈的變形情況;根據監測結果擬合拱圈的線型,與設計的拱軸線進行比較,判斷拱軸線是否發生重大變化。(2)剛架拱的應變觀測。監測觀測點的應變變化情況,與理論分析進行比較,判斷拱圈的受力狀態是否屬于正常狀態。(3)剛架拱的裂縫觀測。監測原有裂縫處的發展情況,綜合判斷拱圈的剛度退化、極限承載力和安全度[16-18]。拱肋測點傳感器布置在拱肋、橫梁與橋面板上,主要用于監測拱肋變形、應變、裂縫等狀態。

4.2 監測數據分析

4.2.1 應變監測數據分析

橋梁結構主要受力部件的應變反映橋梁整體剛度的變化,剛度的變化將導致橋梁結構破壞,因此,設置金溪大橋在線監測表面應變傳感器來實時監測橋梁控制截面的應變,及時掌握橋梁的受力狀況。選取金溪大橋第3 跨跨中截面頂板、底板和右支座附近截面底板、頂板在2018年5月21日的實時監測應變數據,進行日周期應變數據分析,如表6所示,應變變化規律如圖10所示。

表6 第3 跨日周期應變數據單位:με

續表

車輛荷載變化是主梁發生應變的主要原因。從圖10可知,主梁跨中和右支座的截面頂板與底板應變的變化呈相反趨勢。從早上6:00 早高峰開始,車流量逐漸增大,車輛荷載的增加引起第3跨梁片下撓,導致上緣混凝土產生壓應力增大,下緣混凝土產生拉應力增大,且在9:00 達到極值;9:00 以后,隨著車流量的逐漸減少,主梁撓度值和上緣、下緣應變值逐漸減小,趨于平緩;在晚高峰17:00—19:00 時段,車流量再次加大,主梁撓度值和上緣、下緣應變值相應增大,在19:00 達到峰值,而后逐漸減小;21:00—6:00 時段,由于夜間車流量不大,橋梁受到車載作用小,因此測點的應變值變化幅度較小。

圖10 應變隨時間變化規律

由于主梁中性軸到下邊緣距離大,到上邊緣距離小,因此梁片下撓時,下緣測點應變增量大于上緣測點。2018年5月21日的實測最大應變與最小應變的差值即為主梁在這天內的應變幅度。由表6可知,第3 跨跨中截面頂板測點的應變幅度為9.67 με,截面底板測點的應變幅度為19.49 με;右支座附近截面頂板測點的應變幅度為9.29 με,底板測點的應變幅度為8.37 με。該主梁采用C50 混凝土,第3 跨跨中截面壓應力幅度為0.399 MPa、拉應力幅度為0.807 MPa;右支座附近截面的壓應力幅度為-0.296 MPa、拉應力幅度為0.235 MPa,符合理論分析的結果。

4.2.2 加速度監測數據分析

(1)加速度響應分析

選取金溪大橋2018年5月21日一天內的監測數據進行加速度動力響應分析。試驗的1～4號測點分別設置在第3 跨的跨中截面頂板、跨中截面底板、右支座截面頂板、右支座截面底板。由于監測設備的信號頻率為1 000 Hz,一天內采集的數據量十分龐大,其中30 min 的數據已具有足夠多的振動次數,故每30 min 選取一次監測時點,一天共48 個監測時點。每個測點的監測數據均以該監測時點前后15 min 的加速度值進行計算,振動強度用加速度響應均方根表示。各測點一天內振動強度隨時間的變化如圖11所示。

圖11 橋梁振動強度隨時間的變化

從圖11可知,金溪大橋的振動強度一天內變化較大。測點1 的加速度響應均方根谷值為0.22 cm/s2、峰值為1.23 cm/s2,測點2 的加速度響應均方根谷值為0.20 cm/s2、峰值1.03 cm/s2,測點3 的加速度響應均方根谷值為0.15 cm/s2、峰值0.91 cm/s2,測點4 的加速度響應均方根谷值為0.17 cm/s2、峰值為0.73 cm/s2,說明該橋振動趨勢明顯。從時間段來看,白天時間6:00—21:00 該橋振動加速度響應均方根值普遍大于夜間21:00—6:00,且動力響應變化不平穩。監測當天并無刮風且溫差較小,因此,得出車輛荷載是大橋振動強度發生變化的主要原因。

(2)加速度數據時程分析

對金溪大橋測點在2018年5月21日3:00時段的豎向加速度數據進行模態分析,得出結構豎向1 階的頻率及對應的振型,與Midas Civil 有限元計算結果相比較,得出表7和表8。

表7 實測頻率與計算頻率對比

表8 實測振型與計算振型對比

從表7和表8可知,金溪大橋實測的動力特性與模型計算的動力特性相吻合。

5 結語

金溪大橋沒有出現明顯的結構損傷,在變形及應力方面均滿足結構剛度及承載能力的要求。可以在結構容易發生損傷的關鍵位置提前做好預防。如在拱頂、拱腳以及四分點截面變形較大的位置,布置傾角和位移實時傳感器監測截面變形,觀測拱軸線是否發生損傷;在易發生開裂損傷的下弦桿節點、拱腳節點,布置相應的傳感器,為今后拱橋修復和養護提供基礎數據和預警措施。