基于MIDAS CIVIL的橋梁健康監(jiān)測與評估★

池傳樹，周 俊

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,福建 福州 350007)

0 引言

近20年來,我國橋梁建設(shè)成就斐然,截止到2022年底,我國公路橋梁已達(dá)100萬余座[1],數(shù)量穩(wěn)居世界第一。

橋梁數(shù)量增長的同時,老齡化橋梁的數(shù)量也隨之增多,再加之超荷載、自然氣候環(huán)境等多因素的影響,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的使用性能下降和結(jié)構(gòu)損傷。目前我國主要采用人工定期檢測的方式進(jìn)行橋梁技術(shù)質(zhì)量狀況評定。然而人工檢測具有周期性、無法及時掌握橋梁病害發(fā)展趨勢。橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生事故,必然造成不可挽回的重大人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失,并且造成極其惡劣的社會影響。在這種背景下,橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測與評估的重要性日益受到關(guān)注。一般的,工程結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險達(dá)到臨界狀態(tài)之前,監(jiān)測數(shù)據(jù)的某些特征指標(biāo)即有明顯反應(yīng),所以可以通過這些監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報警情,所以在橋梁運(yùn)營過程中,其結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集尤為重要[2]。利用MIDAS CIVIL軟件對橋梁進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果作為與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比的對象,為橋梁健康監(jiān)測提供更充分的理論依據(jù)。

1 基于MIDAS CIVIL的橋梁健康監(jiān)測與評估技術(shù)路線

1)收集橋梁的設(shè)計圖紙、驗(yàn)收報告、檢測報告、維修記錄等資料,了解橋梁的結(jié)構(gòu)、材料、使用年限等信息。

2)利用MIDAS CIVIL軟件建立橋梁有限元模型,確定橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

3)結(jié)合橋梁重要部位的損傷、裂縫、銹蝕等病害以及橋位周邊環(huán)境及橋梁實(shí)際運(yùn)營條件等情況,依據(jù)橋梁監(jiān)測規(guī)范、指南等,出具監(jiān)測方案,確定監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測設(shè)備數(shù)量等。

4)建立橋梁監(jiān)測系統(tǒng),對橋梁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并對其安全狀態(tài)進(jìn)行評估,及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

三明市某橋梁位于G235國道上,全橋長210.72 m,橋面寬度9.0 m,跨徑為3×60 m,矢跨比:1/8,正交直橋。設(shè)計荷載:汽車-20,掛車-100級。2020年度大橋的特殊檢查結(jié)果如下:橋梁上部結(jié)構(gòu)評分為2類(81.3),下部結(jié)構(gòu)評分為2類(82.9),橋面系評分為3類(75.2),橋梁技術(shù)狀況等級評定結(jié)果為2類(80.7);剛架拱片的混凝土強(qiáng)度滿足要求,材質(zhì)強(qiáng)度處于良好狀態(tài);混凝土保護(hù)層厚度較好,對鋼筋耐久性的影響不顯著;碳化深度值小于保護(hù)層最小厚度;混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕狀態(tài)為無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定。大橋上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足汽車-20,掛車-100級設(shè)計荷載等級要求;橋梁的動剛度滿足要求,全橋?qū)崪y的自振特性數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)無明顯內(nèi)在損傷。大橋抗彎和抗剪能滿足汽車-20,掛車-100級級荷載等級要求。

2.2 MIDAS CIVIL建模

采用MIDAS CIVIL軟件對三明市某橋梁進(jìn)行有限元分析,有限元模型圖如圖1所示,分析的結(jié)果分別如圖2—圖4所示。

2.3 測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)技術(shù)指南》中關(guān)于拱橋的監(jiān)測內(nèi)容[3],再結(jié)合MIDAS CIVIL軟件分析結(jié)果,確定橋梁監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)。

1)環(huán)境溫濕度監(jiān)測。橋梁結(jié)構(gòu)常年暴露在大氣中,受外界環(huán)境的溫度和濕度變化的影響,常引起橋梁病害的產(chǎn)生,同時溫度也是橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的因素之一,所以溫濕度監(jiān)測是橋梁監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。本項(xiàng)目選取橋梁拱頂位置監(jiān)測橋址區(qū)環(huán)境溫濕度。

2)橋梁撓度監(jiān)測:選取有代表性的觀測點(diǎn)(拱頂、拱腳等截面),監(jiān)測觀測這些點(diǎn)的豎向位移,并與MIDAS CIVIL軟件分析數(shù)值進(jìn)行比較,據(jù)此判斷橋梁豎向位移是否屬于正常狀態(tài)。

3)橋梁應(yīng)變監(jiān)測:選取有代表性的觀測點(diǎn)(拱頂、拱腳等截面),監(jiān)測這些點(diǎn)的應(yīng)變變化情況,并與理論分析進(jìn)行比較,據(jù)此判斷拱圈的受力狀態(tài)是否屬于正常狀態(tài)。

通過上述分析,確定橋梁共布設(shè)16個應(yīng)變計(順橋向)、4個靜力水準(zhǔn)儀(其中一個為基準(zhǔn)點(diǎn)),6個加速度計(豎向)以及1個溫濕度傳感器,各監(jiān)測測點(diǎn)布置示意圖如圖5所示。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是由安裝在橋梁上的傳感器、視頻圖像等感知設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與管理、用戶界面等軟硬件構(gòu)成,對橋梁所處環(huán)境、荷載作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行采集、處理、分析,并對橋梁狀態(tài)改變進(jìn)行預(yù)警和評估[3]。

2.5 監(jiān)測結(jié)果

2.5.1 溫濕度監(jiān)測

選取2023年3月13日至2023年6月30日數(shù)據(jù)繪制溫度和濕度監(jiān)測時程曲線趨勢如圖6和圖7所示,監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

從本監(jiān)測周期的溫度和濕度數(shù)據(jù)分析可知,三明市某橋梁的溫度和濕度變化較為穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的日變化規(guī)律。溫度和濕度無極端情況,最高溫度39.26 ℃,最低溫度11.45 ℃,最大溫差27.81 ℃;最高濕度80.83%RH,最低濕度47.13%RH,最大濕度差33.70%RH,并與上季度結(jié)果進(jìn)行對比,符合福建三明地區(qū)該時段的氣溫變化情況。

2.5.2 撓度監(jiān)測

橋梁的主梁撓度是橋梁健康狀況評價的重要參數(shù)之一,在橋梁監(jiān)測、危橋改造以及新橋驗(yàn)收中都需準(zhǔn)確地測量橋梁的撓度值。因此,不管是從承載力極限狀態(tài)還是正常使用極限狀態(tài)考慮,對主梁撓度進(jìn)行監(jiān)測都具有重要的工程價值[4]。

選取2023年3月13日至2023年6月30日數(shù)據(jù)并與上一季度監(jiān)測結(jié)果以及實(shí)時調(diào)整的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比,如表2所示。剔除由于外部環(huán)境影響而產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)外,撓度數(shù)據(jù)總體波動范圍較為穩(wěn)定。通過與上一季度監(jiān)測結(jié)構(gòu)以及有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以看出,各截面的最大撓度值在允許閾值范圍內(nèi),其撓度曲線能夠較好反映橋梁各截面的線形變化。

表2 橋梁撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表

2.5.3 應(yīng)變監(jiān)測

橋梁應(yīng)變監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要手段,故可以通過在橋梁的截面上布置應(yīng)變測點(diǎn),通過應(yīng)變計監(jiān)測應(yīng)變,應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)以受拉為正,受壓為負(fù)。選取2023年3月13日至2023年6月30日監(jiān)測數(shù)據(jù),如圖8所示。

主梁各截面應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)日變化規(guī)律明顯,且對稱截面數(shù)據(jù)變化極為相似,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的對稱性。為更清楚反映橋塔及主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)變化情況,將變化分析結(jié)果與上季度監(jiān)測結(jié)果以及有限元結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示,剔除外界因素干擾的情況下,本周期內(nèi)各測點(diǎn)應(yīng)力變化量較小,總體變化情況較為穩(wěn)定,變化范圍在有限元閾值范圍內(nèi),變化屬于安全范疇。

表3 應(yīng)變分析對比結(jié)果

2.5.4 振動監(jiān)測

橋梁的振動頻率是橋梁的固有特性,不會隨著外界荷載的變化而變化,因此完好橋梁的振動頻率是恒定的。當(dāng)橋梁出現(xiàn)較大損傷或結(jié)構(gòu)改變時,橋梁的振動頻率也會隨之改變,橋梁頻率蘊(yùn)含著橋梁的整體結(jié)構(gòu)信息與安全信息,有必要對橋梁的振動頻率進(jìn)行分析[5]。利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中采集的橋梁各構(gòu)件的振動加速度數(shù)據(jù),可以對橋梁各構(gòu)件的振動進(jìn)行頻譜分析,從中得出橋梁各構(gòu)件的振動頻率,從而了解橋梁的整體特性。

取加速度傳感器1和加速度傳感器3的時程曲線圖和頻率圖繪制于圖9,并將頻率與有限元基頻進(jìn)行對比,得到表4。由圖9和表4反映的振動數(shù)據(jù)分析,橋面振動變化跳動周期較明顯,振動數(shù)據(jù)在波動后最終恢復(fù)正常,測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)間歇性跳動,可能是由于受到車輛荷載、風(fēng)荷載等變化引起的橋面振動影響,但根據(jù)識別到的基頻來看,整橋監(jiān)測振動數(shù)據(jù)較為正常可靠,較能反映實(shí)際的運(yùn)營狀況。監(jiān)測周期內(nèi),全橋的一階自振頻率介于[3.98～4.76] Hz,均大于理論計算頻率2.78 Hz,且未觸發(fā)紅色或黃色的預(yù)警,表明現(xiàn)狀橋梁整體剛度滿足設(shè)計要求。

表4 頻率匯總表 Hz

3 結(jié)論

通過監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的跟蹤,在觀測期內(nèi),應(yīng)變、撓度、振動等監(jiān)測指標(biāo)均在有限元閾值范圍內(nèi),表明該橋梁結(jié)構(gòu)在安全可靠范圍內(nèi)。基于MIDAS CIVIL橋梁健康監(jiān)測的實(shí)踐研究能極大地延拓橋梁的監(jiān)測內(nèi)容,并可連續(xù)地、實(shí)時地、在線地對橋梁結(jié)構(gòu)“健康”狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估,對橋梁的運(yùn)營安全和提高橋梁的信息化管理水平等具有重要的指導(dǎo)意義。