模數式大位移伸縮縫智能監測

亢曉亮

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

伸縮縫是一種長期暴露在外部環境中的機械構件，工作環境惡劣，是最易出現損傷的橋梁部件。橋梁投入運營后，在車輛荷載及自然因素的影響下，各構件逐步老化，損傷不斷積累，如果沒有及時發現及維修，容易引起突發的結構性破壞；特別是一些大跨越江橋梁，往往都是重要交通咽喉，大位移伸縮裝置一旦損壞對橋梁結構和道路安全運營的影響都比較大；若大范圍更換維修，對正常交通運營也會造成很大影響。

本文通過對模數式大位移伸縮縫的構造特點分析和運營現狀調研，通過早期病害判斷及破壞機理分析，探索快速預警伸縮縫損壞的方法。

1 基本構造及現狀

1.1 伸縮縫概述

橋梁伸縮裝置是公路橋梁橋面系的重要組成部分，不僅需要適應橋梁的變溫伸縮、混凝土收縮徐變、基礎沉降和轉動等因素的伸縮，同時也需承受各種類型的車輛荷載及沖擊，保證橋上車輛通行的安全性和舒適性。隨著我國公路橋梁建設的發展，大跨長聯橋梁的不斷增多，大位移伸縮裝置的數量也不斷增長。

模數式伸縮裝置是國內外公路橋梁上使用最廣泛的一種橋梁伸縮裝置。其主要特征有：標準化、模塊化程度高；適應伸縮（變形）能力強；耐久適用；維修成本低。

模數式伸縮裝置按其支承鋼梁(橫梁)的支承形式可分為格梁式、直梁式和轉軸式(斜梁式)三種[1]。格梁式模數縫縱向變形適應一般不會超過480 mm寬度，國內應用較少；直梁式模數縫理論受力性能與轉軸式不相上下，相對而言安裝占用的空間小、造價低、安裝精度要求低、模數設計更為靈活等特點，是近年來國內推廣應用最為普遍的一種模數縫類型。本文以直梁式模數縫作為研究對象進行損壞機理分析及監測方案研究。

1.2 模數縫構造

直梁式模數縫縱向位移能力一般160～2 000 mm，單根中梁位移模數80 mm，其主要構造見圖1。

圖1 模數式伸縮縫三維視圖

常規模數縫主要構件按功能分為以下三個系統。

豎向力傳力系統：保證作用在中梁上的豎向荷載順暢傳遞至前后跨結構。模數縫主要傳力路徑為：中梁→彈性支撐原件（上支座）→支承梁（橫梁）→支承梁支座→橫梁錨箱底板。

變形協調系統：連系梁通過剪力彈簧相鄰連接或間隔連接中梁（邊梁），利用剪力彈簧的剛度協調各中梁間隙基本一致。

主要構件穩定系統：保證支承梁（橫梁）、中梁穩定的構件。支承梁一般利用焊接在邊梁上的支撐架保證其穩定；中梁則通過U形或L形的支撐架抱箍支承梁+彈性支撐原件（壓緊支座）保證其穩定性，各支座（中梁支座和壓緊支座）的摩阻力是保證中梁穩定的關鍵。

1.3 伸縮縫智能監測的意義

我國的橋梁伸縮裝置的使用壽命普遍不高，斷梁破壞的現象時有發生，對橋梁正常使用影響較大。根據橋梁維保單位及設備廠家提供的信息顯示，大部分伸縮縫大修周期在5～10 a之間，與設計使用壽命（大于15 a）相差甚遠。因此延長伸縮裝置的使用壽命，避免短期內結構性大修更換至關重要。

大型模數伸縮縫具有一定的專業性，通常的維保單位并不能快速、準確判斷其本體是否有損壞，而廠家維護人員基于成本的考慮也不會高頻次跟蹤檢查，待發現問題再進行處治時可能已經延誤了最佳維修時間，導致大部分伸縮縫維修僅能通過整體更換實現。如圖2所示伸縮縫中梁斷梁，支撐架損壞。

圖2 模數縫破壞

所以通過對伸縮縫病害的早期病害判斷及破壞機理分析，找到快速預警伸縮縫是否異常的方法非常有必要。利用遠程監控技術、智能預警伸縮縫易損部件的使用狀況，并及時維修，對提高伸縮縫的整體使用壽命意義重大。

2 模數縫的損壞機理

模數式裝置的結構性破壞主要是中梁、支承梁（橫梁）、支撐架的破壞。由于支承梁不直接承受車輛沖擊荷載，其構造尺寸也有足夠大的安全余量，極少發生破壞。

中梁直接承受車輛荷載的沖擊，其破壞在運營中最為常見，而支撐架的破壞也往往伴隨著中梁的嚴重變形或斷裂。

通過對大部分橋梁伸縮縫的病害分析發現：在長期重載交通影響下，橡膠類部件（支座、剪力彈簧）老化或個別產品性能劣化（見圖3），引起中梁穩定性變差、車輛通過時瞬時彈性變形增大；若長時間得不到維修，則受損支座進一步劣化，最終脫空掉落，導致個別中梁約束減弱，跨徑增大，出現豎彎、橫彎、扭曲等塑性變形；中梁的變形伸縮縫面的不平整、間隙“大小頭”等變形，在反復沖擊荷載作用下進一步受損，進而導致中梁的破壞。伸縮縫破壞歷程見圖4。

圖3 剪力彈簧失效

圖4 模數縫破壞歷程

伸縮縫間隙卡物、防水膠條漏水、初始安裝調試不規范也會加速伸縮縫易損構件的劣化，但最終的損壞機理仍基本一致。

所以，模數縫橡膠類部件性能劣化，引起變形協調系統與中梁穩定系統的失效，最終導致豎向力傳力系統損壞，是中梁破壞的主要原因。

3 模數縫病害智能監測

模數縫橡膠類部件性能老化，必然存在明顯的模數間隙分配不均的情況。通過對中梁間隙不均勻程度的監控和理論變形恢復能力的對比分析，設置一定的閾值，便可以預警變形協調系統與中梁穩定系統的損壞，及時采取維修措施，避免伸縮縫的結構性破壞。

明確研究對象所需監測的數據后，確定監測系統構架：位移采集及傳輸系統、后臺分析和預警系統。

3.1 位移采集及傳輸

根據數據精度、安裝空間和使用環境，采用普通

拉線式位移傳感器便可滿足數據精度需求。

隨著物聯網技術的發展，信號通過4G或5G傳輸已經極為方便；信號收發系統所需的電力可通過小型的光伏電板實現。

3.2 數據分析及預警

單縫寬度：模數縫每個模數的縫隙理論值在0～80 mm，如果任何一個模數有超出80 mm的間隙則是非常明顯的破壞信號，此時需要立即啟動維修預警程序。

總縫寬：實際判定中需結合安裝溫度、初始縫寬，對比監測數據及各縫的寬度對數據進行修正。當縫寬與當前溫度不適應時，則進行檢修預警。

不均勻縫寬：根據間隙的監測數據，瞬時單縫寬度與平均縫寬差異±10%～15%，可判斷中梁支座病害，檢修預警。另外可根據24 h平均縫寬不均勻程度判別其變形協調和恢復能力，對剪力彈簧進行預警。

4 模數縫病害智能監測系統的應用

4.1 應用場景

智能監測系統選擇東海大橋顆珠山大橋作為現場應用試點。橋跨組合：50 m（過渡孔）+139 m+332 m+139 m+50 m（過渡孔），全長710 m，建于2005年；為雙塔雙索面邊主梁式鋼一混凝土結合梁結構，墩位編號排列:PM470～PM475。斜拉橋與過渡孔之間采用轉角伸縮縫，過渡孔與引橋之間采用MZL960型大位移伸縮縫。

在主橋PM470墩處右幅中分帶側安裝智能監測系統及4G信號發射器。位移采集器安裝在伸縮縫下方（見圖5）。

圖5 安裝現場

PM470墩處伸縮縫中梁11道，邊梁2道。受安裝空間限制，布置3組位移采集器，采集頻率為每分鐘1次，數據采集范圍見圖6。

圖6 數據采集示意

4.2 模態數據分析與系統調校

根據現場調研，受汽車沖擊影響，一般伸縮縫前、后兩端損壞的頻次較高，中間段一般較少發生。故位移采集中，將伸縮縫分為三個區域進行位移采集，每個區域4道縫。監控采集數據分別為S1、S2、S，通過計算可求得三個區域對應的橋縫寬度Da、Db、Dc及總縫寬D。

假定各區域內縫寬平均分布，計算求得各區域單縫平均寬度da、db、dc及平均縫寬d。

引入縫寬不均勻系數km進行判定：

當單組數據km1≥1.1或km2≤0.9或km≥1.15時，初步判定局部縫寬異常，預警檢修。

日均數據kd1≥1.08或kd2≤0.93或kd≥1.1時，初步判定位移恢復系統異常，預警檢修。

4.3 終端展示

本系統為較為簡潔的預警判別系統，用戶端的展示內容主要是結構裝置本身的總體變形參數，同時直接顯示通過數據判別之后的裝置健康狀態，如在設置的閾值范圍內顯示為正常，標記為綠色；超出閾值則標記為黃色，使用者可以很直觀判斷裝置的健康狀態。終端界面見圖7。

圖7 用戶端窗口

每次判斷以最近一次的采集數據分析后的結論作為展示，后臺每次采集的數據均有記錄，并可以通過系統后端讀取每次采集的數據用來進行提取分析。

5 結 語

模數縫橡膠類部件性能老化，引起變形協調系統與中梁穩定系統的失效，最終導致豎向力傳力系統損壞，是中梁破壞的主要原因。通過對中梁各縫寬的監控及分析能夠有效反映伸縮縫易損構件的使用狀況，對異常縫寬的預警，能夠避免伸縮縫的結構性損壞。

數據系統預警閥值的設置需根據伸縮縫的實際運營狀況進行反復調校和測試。智能監測系統可通過增設溫度、風速、風向等監測，結合環境變化對伸縮縫的變形進行綜合分析。

智能監控系統正常預報情況下可以減少日常養護現場的工作量，節省維護檢修的成本，只需要定期對設施進行檢查或者在系統有預警時再結合現場人工檢修即可，提高了工作效率。