唐 堂，溫天宇（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

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某鋼筋混凝土系桿拱橋的長期監(jiān)測與分析

唐 堂，溫天宇
（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

通過對某鋼筋混凝土系桿拱橋進行為期1年的混凝土應變與位移的監(jiān)測，闡述了長期監(jiān)測的內容和方案，分析了橋梁結構在正常運營過程中的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)的變化，為此類橋梁運營過程中的監(jiān)測、后期的養(yǎng)護和維修加固施工提供依據和參考。

鋼筋混凝土；橋梁監(jiān)測；系桿拱；長期監(jiān)測

近年來，鋼筋混凝土系桿拱橋憑借著造型優(yōu)美、便于施工、跨越能力強、造價低的優(yōu)勢在我國交通工程領域中得到大力發(fā)展［1］，然而，隨著運營時間的增長，大部分橋梁的現有交通量和載重已超過設計標準，同時該類橋型由于吊桿斷裂、斷絲、鋼絞線夾片斷裂等原因造成橋梁事故時有發(fā)生，另外吊桿錨頭銹蝕、滲水、鋼絞線銹蝕等病害也對橋梁的安全運營造成威脅，因此應對此類橋梁進行長期監(jiān)測以適時了解橋梁結構的運營狀態(tài)、及時發(fā)現隱患并提供預警，進而保證橋梁的安全運營。

目前對橋梁實行長期監(jiān)測的較好方法是在橋梁結構上安裝長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)目前只運用于較少的特大橋與一些有特殊要求的橋梁，以及用于測試新技術、新設計理念的橋梁；據統(tǒng)計，運營過程中出現問題較多的正是數量占優(yōu)的中等跨徑橋梁［2-3］。

對于這些橋梁，不可能也沒有必要全部安裝實時在線的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)。因此，筆者根據多年的橋梁檢測經驗，建議借鑒施工監(jiān)控的方法對中等跨徑橋梁進行長期監(jiān)測，即采用混凝土振弦式應變計對橋梁結構關鍵位置的應變定期采集數據，可以適時了解橋梁結構的受力狀態(tài)；在橋梁結構關鍵位置布置位移測點，采用精密電子水準儀配合銦鋼尺對橋面高程進行定期測試，可以適時了解橋梁結構的幾何形態(tài)，此方案可以兼顧長期監(jiān)測的可靠性、適用性、經濟性。

1　工程概況

本橋為無風撐下承式預應力混凝土系桿拱橋結構，計算跨徑63 m，計算矢高11.34 m，矢跨比為1/5.56，拱軸線為二次拋物線，下部結構為雙柱墩，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。橋梁橫斷面布置為0.5 m（護欄）+11 m（行車道）+0.5 m（護欄）=12 m。如圖1所示。

圖1　橋型布置圖（單位：cm）

本橋設兩片拱肋，拱肋采用鋼筋砼工字形截面，高120 cm，寬100 cm；系梁采用預應力砼箱形截面，高150 cm，寬120 cm；中橫梁高100～112 cm，寬50 cm；端橫梁高120～132 cm，均為預應力混凝土構件。全橋兩側各設置11根吊桿，吊桿間距5.25 m，內設預應力鋼絞線，外套直徑為220 mm、厚10 mm的無縫鋼管。橋梁斷面圖如圖2所示。

設計荷載標準：汽車-20級，掛-100；橋梁于1998-08建成通車，至今已運營17年。

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：mm）

2　長期監(jiān)測方案

2.1監(jiān)測時間與監(jiān)測環(huán)境

監(jiān)測周期內每次監(jiān)測時的天氣情況和橋面車輛通行情況如表1所示。

表1　每次監(jiān)測時的天氣情況與車輛通行情況

2.2位移監(jiān)測

2.2.1監(jiān)測方法

豎向位移測量儀器采用精密水準儀及配套的銦鋼尺，據《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2007），測量時按二等工程水準測量要求，對橋梁豎向位移進行閉合水準測量［4］。豎向位移測量前在控制截面對應的橋面上距護欄內側10 cm處打入膨脹螺絲作為永久性觀測點，并編號標識。

2.2.2測點布置

縱橋向布置在支承中心及每根吊桿對應位置，橫橋向布置在距兩側護欄內側面10 cm處。位移測點為永久測點，測點位置處植入膨脹螺絲，并編號標記。具體布置如圖3所示。

2.3應變監(jiān)測

2.3.1監(jiān)測方法

在系梁1/4、1/2截面的底面布置應變測點，定期觀測混凝土的應變變化情況。通過對應變進行監(jiān)測，不僅能直接了解各測量點的應力狀態(tài)，為總體評判橋梁的安全性和耐久性提供依據，還能通過控制點應力狀態(tài)的變化來發(fā)現橋梁結構狀態(tài)的改變。

2.3.2測點布置

在主橋系桿拱拱肋的拱腳截面、1/4跨徑截面、拱頂截面以及系梁的跨中截面、1/4跨徑截面布置應變測點，監(jiān)測主橋的應變變化情況。主橋系桿拱共布置24個應變測點。

圖3　位移測點布置

3　長期監(jiān)測結果

3.1位移監(jiān)測

橋面高程采用精密電子水準儀配合銦鋼尺按二等工程水準測量要求進行測試，兩側跨中區(qū)域位移測點的橋面高程變化情況如圖4、圖5所示，圖中實線為實際監(jiān)測值，虛線為趨勢線。

圖4　北側跨中處橋面高程變化情況

圖5　南側跨中處橋面高程變化情況

根據上圖，跨中處位移測點高程盡管個別點有所反彈，從整個監(jiān)測期考慮總體呈持續(xù)下撓趨勢。

根據橋面位移測點高程監(jiān)測結果，每次監(jiān)測高程與初讀數偏差匯總如圖6、圖7所示，相鄰兩次高程監(jiān)測差值匯總如圖8、圖9所示：

圖6　北側每次高程監(jiān)測值與初讀數偏差的變化情況

圖7　南側每次高程監(jiān)測值與初讀數偏差的變化情況

圖8　北側相鄰兩次監(jiān)測高程差值變化情況

圖9　南側相鄰兩次監(jiān)測高程差值變化情況

由圖6、圖7可知，南北兩側位移測點高程監(jiān)測值與初讀數偏差均有持續(xù)增加趨勢。由圖8、圖9可知，南北兩側位移測點相鄰兩次高程監(jiān)測值偏差無具體變化規(guī)律，離散性較大。

為進一步分析橋面位移變化情況，需要進行橋面高差浮動范圍分析，以推得位移測點沉降的特征值。具體是取各次監(jiān)測高程最大值和最小值偏差（實測高程與各次高程平均值之差），并對其重新調零（最大值與最小值之差的平均值），繪制全橋各次高程監(jiān)測值偏差上下浮動曲線。將各次測量間的沉降數據進行數理統(tǒng)計，繪制沉降浮動曲線如圖10、圖11所示。

圖10　北側位移測點高程高差偏差浮動范圍

根據圖10、圖11，南北兩側相對沉降浮動最大位置均為跨中區(qū)域，浮動范圍分別為±2.3 mm、±1.9 mm。

圖11　南側位移測點高程高差偏差浮動范圍

3.2應變監(jiān)測

為具體分析應力變化情況，將每次應變監(jiān)測值與初讀數相減，根據混凝土彈性模量得到每次應力監(jiān)測值，繪制歷次平均應力監(jiān)測值與第1次監(jiān)測平均應力的差值變化情況如圖12、圖13所示。

圖12　系梁底跨中處第n次與第1次平均應力差值

圖13　系梁底1/4處第n次與第1次平均應力差值

由圖12、圖13所示，系梁底面少部分應力監(jiān)測值與初讀數差值有所反彈，前5次監(jiān)測為較小的拉應力，從整個監(jiān)測期考慮系梁底面應力監(jiān)測值與初讀數差值普遍增大，總體呈受拉狀態(tài)，且持續(xù)發(fā)展。

為進一步分析應力變化情況，將相鄰兩次監(jiān)測平均應變值相減，根據混凝土彈性模量值得到每次監(jiān)測應力差值，繪制相鄰兩次監(jiān)測平均應力差值的變化情況如圖14、圖15所示。

圖14　系梁底跨中處相鄰兩次平均應力差值

根據圖14、圖15，系梁底面相鄰兩次監(jiān)測應力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范圍內波動變化，從整個監(jiān)測期考慮系梁底面相鄰兩次監(jiān)測應力差值總體呈拉應力，則系梁底面有受拉趨勢。

圖15　系梁底1/4處相鄰兩次平均應力差值

3.3持續(xù)下撓原因分析

3.3.1現狀下橋梁承載能力評估分析結論

采用橋梁博士V3.0建立系桿拱單榀模型進行承載能力極限狀態(tài)驗算和正常使用極限狀態(tài)驗算，模型如圖16所示，驗算結論如下：

圖16　系桿拱計算模型

（1）現狀下系桿拱鋼筋混凝土拱肋的強度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范要求；

（2）現狀下系桿拱全預應力混凝土系梁的強度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范要求；

（3）現狀下系桿拱預應力混凝土端橫梁的強度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范和部分預應力混凝土系A類構件的要求；

（4）現狀下系桿拱預應力混凝土中橫梁的強度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范和部分預應力混凝土系B類構件的要求；

（5）現狀下系桿拱吊桿鋼管與拉索的強度驗算均滿足規(guī)范限值要求，吊桿安全系數最小值為2.1。

3.3.2溫度對跨中區(qū)域下撓影響分析

采用Midas Civil2013建立空間模型（如圖17所示），分析得到監(jiān)測期間最大升溫差值33 ℃對跨中區(qū)域位移的影響值為-2.5 mm，影響較大。

圖17　升溫33 ℃對跨中區(qū)域位移的影響

3.4監(jiān)測結論及建議

（1）橋梁跨中區(qū)域橋面高程持續(xù)降低，北側最大下撓值達4.6 mm，南側最大下撓值達3.7 mm，監(jiān)測期間最大升溫差值33 ℃對跨中區(qū)域位移的影響值為-2.5 mm；

（2）從整個監(jiān)測期考慮系梁底面應力監(jiān)測值與初讀數差值普遍增大，總體呈受拉狀態(tài)，且持續(xù)發(fā)展；相鄰兩次監(jiān)測應力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范圍內波動變化，從整個監(jiān)測期考慮系梁底面相鄰兩次監(jiān)測。應力差值總體呈拉應力，系梁總體呈持續(xù)受拉狀態(tài)；

（3）橋面位移監(jiān)測結果和系梁的應變監(jiān)測結果能較好地反映系梁的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)，兩者監(jiān)測結果較為一致，應變監(jiān)測結果能較好地反映系梁的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)，均能說明在監(jiān)測期內系梁總體呈持續(xù)受拉狀態(tài)。

（4）現狀下，系桿拱各構件的強度、剛度和抗裂性均滿足規(guī)范要求；考慮對橋梁長期監(jiān)測的需求以及對測量數據進行大量統(tǒng)計分析的要求，為保證橋梁的安全運營，建議對該橋所有測點豎向位移和應力變化繼續(xù)進行跟蹤監(jiān)測，以掌握更多的有效分析數據，以對橋梁結構的受力狀態(tài)有更穩(wěn)定可靠的評定，為后期的維修加固和養(yǎng)護提供依據。

4　結語

對某鋼筋混凝土系桿拱橋進行了為期1年的位移與應變監(jiān)測，監(jiān)測結果表明橋梁結構處于良好的工作狀態(tài)，通過振弦式應變計和精密電子水準儀可以對橋梁結構的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)進行適時監(jiān)控，兼顧了此類橋型長期監(jiān)測方案的可靠性、適用性和經濟性，為此類橋梁運營過程中的監(jiān)測、后期的養(yǎng)護和維修加固施工提供參考。

［1］陳寶春.拱橋技術的回顧與展望［J］.福州大學學報：自然科學版，2009，37（1）：94-106.

［2］黃方林，王學敏，陳政清，等.大型橋梁健康監(jiān)測研究進展［J］.中國鐵道科學，2005，26（2）：1-7.

［3］施洲，蒲黔輝，李曉斌，等.橋梁結構應力與變形監(jiān)測方法及其精度分析［J］.四川建筑科學研究，2008，34（4）：93-97. ［4］GB 50026—2007工程測量規(guī)范［S］.

Long-term Monitoring and Analysis of A Reinforced Concrete Tied-arch Bridge

Tang Tang， Wen Tianyu
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Through monitoring of concrete strain and displacement of a reinforced concrete tied-arch bridge for one yerar， this paper expounded the content and scheme of long-term monitoring. The change of forced state and geometric shape about the bridge structure during the process of normal operation were analyzed. It could be taken as basis and reference for the monitoring，deuteric maintenance and reinforcement construction for this kind of bridge during the process of operation.

reinforced concrete； bridge monitoring； tied-arch； long-term monitoring

U446.2

A

1672-9889（2016）02-0041-05

唐堂（1988-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事橋梁檢測與維修加固設計工作。

（2015-06-15）