唐 堂，溫天宇（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析

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

通過(guò)對(duì)某鋼筋混凝土系桿拱橋進(jìn)行為期1年的混凝土應(yīng)變與位移的監(jiān)測(cè)，闡述了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方案，分析了橋梁結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)的變化，為此類(lèi)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)、后期的養(yǎng)護(hù)和維修加固施工提供依據(jù)和參考。

鋼筋混凝土；橋梁監(jiān)測(cè)；系桿拱；長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，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(qiáng)、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)交通工程領(lǐng)域中得到大力發(fā)展［1］，然而，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，大部分橋梁的現(xiàn)有交通量和載重已超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該類(lèi)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(shí)有發(fā)生，另外吊桿錨頭銹蝕、滲水、鋼絞線銹蝕等病害也對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)造成威脅，因此應(yīng)對(duì)此類(lèi)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以適時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并提供預(yù)警，進(jìn)而保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

目前對(duì)橋梁實(shí)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的較好方法是在橋梁結(jié)構(gòu)上安裝長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)目前只運(yùn)用于較少的特大橋與一些有特殊要求的橋梁，以及用于測(cè)試新技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念的橋梁；據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題較多的正是數(shù)量占優(yōu)的中等跨徑橋梁［2-3］。

對(duì)于這些橋梁，不可能也沒(méi)有必要全部安裝實(shí)時(shí)在線的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，筆者根據(jù)多年的橋梁檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，建議借鑒施工監(jiān)控的方法對(duì)中等跨徑橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，即采用混凝土振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)變定期采集數(shù)據(jù)，可以適時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布置位移測(cè)點(diǎn)，采用精密電子水準(zhǔn)儀配合銦鋼尺對(duì)橋面高程進(jìn)行定期測(cè)試，可以適時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)，此方案可以兼顧長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的可靠性、適用性、經(jīng)濟(jì)性。

1　工程概況

本橋?yàn)闊o(wú)風(fēng)撐下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑63 m，計(jì)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(jié)構(gòu)為雙柱墩，肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁橫斷面布置為0.5 m（護(hù)欄）+11 m（行車(chē)道）+0.5 m（護(hù)欄）=12 m。如圖1所示。

圖1　橋型布置圖（單位：cm）

本橋設(shè)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。全橋兩側(cè)各設(shè)置11根吊桿，吊桿間距5.25 m，內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，外套直徑為220 mm、厚10 mm的無(wú)縫鋼管。橋梁斷面圖如圖2所示。

設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)-20級(jí)，掛-100；橋梁于1998-08建成通車(chē)，至今已運(yùn)營(yíng)17年。

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：mm）

2　長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案

2.1監(jiān)測(cè)時(shí)間與監(jiān)測(cè)環(huán)境

監(jiān)測(cè)周期內(nèi)每次監(jiān)測(cè)時(shí)的天氣情況和橋面車(chē)輛通行情況如表1所示。

表1　每次監(jiān)測(cè)時(shí)的天氣情況與車(chē)輛通行情況

2.2位移監(jiān)測(cè)

2.2.1監(jiān)測(cè)方法

豎向位移測(cè)量?jī)x器采用精密水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼尺，據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026—2007），測(cè)量時(shí)按二等工程水準(zhǔn)測(cè)量要求，對(duì)橋梁豎向位移進(jìn)行閉合水準(zhǔn)測(cè)量［4］。豎向位移測(cè)量前在控制截面對(duì)應(yīng)的橋面上距護(hù)欄內(nèi)側(cè)10 cm處打入膨脹螺絲作為永久性觀測(cè)點(diǎn)，并編號(hào)標(biāo)識(shí)。

2.2.2測(cè)點(diǎn)布置

縱橋向布置在支承中心及每根吊桿對(duì)應(yīng)位置，橫橋向布置在距兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)側(cè)面10 cm處。位移測(cè)點(diǎn)為永久測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置處植入膨脹螺絲，并編號(hào)標(biāo)記。具體布置如圖3所示。

2.3應(yīng)變監(jiān)測(cè)

2.3.1監(jiān)測(cè)方法

在系梁1/4、1/2截面的底面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)混凝土的應(yīng)變變化情況。通過(guò)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅能直接了解各測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，為總體評(píng)判橋梁的安全性和耐久性提供依據(jù)，還能通過(guò)控制點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變。

2.3.2測(cè)點(diǎn)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(yīng)變測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)主橋的應(yīng)變變化情況。主橋系桿拱共布置24個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖3　位移測(cè)點(diǎn)布置

3　長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1位移監(jiān)測(cè)

橋面高程采用精密電子水準(zhǔn)儀配合銦鋼尺按二等工程水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行測(cè)試，兩側(cè)跨中區(qū)域位移測(cè)點(diǎn)的橋面高程變化情況如圖4、圖5所示，圖中實(shí)線為實(shí)際監(jiān)測(cè)值，虛線為趨勢(shì)線。

圖4　北側(cè)跨中處橋面高程變化情況

圖5　南側(cè)跨中處橋面高程變化情況

根據(jù)上圖，跨中處位移測(cè)點(diǎn)高程盡管個(gè)別點(diǎn)有所反彈，從整個(gè)監(jiān)測(cè)期考慮總體呈持續(xù)下?lián)馅厔?shì)。

根據(jù)橋面位移測(cè)點(diǎn)高程監(jiān)測(cè)結(jié)果，每次監(jiān)測(cè)高程與初讀數(shù)偏差匯總?cè)鐖D6、圖7所示，相鄰兩次高程監(jiān)測(cè)差值匯總?cè)鐖D8、圖9所示：

圖6　北側(cè)每次高程監(jiān)測(cè)值與初讀數(shù)偏差的變化情況

圖7　南側(cè)每次高程監(jiān)測(cè)值與初讀數(shù)偏差的變化情況

圖8　北側(cè)相鄰兩次監(jiān)測(cè)高程差值變化情況

圖9　南側(cè)相鄰兩次監(jiān)測(cè)高程差值變化情況

由圖6、圖7可知，南北兩側(cè)位移測(cè)點(diǎn)高程監(jiān)測(cè)值與初讀數(shù)偏差均有持續(xù)增加趨勢(shì)。由圖8、圖9可知，南北兩側(cè)位移測(cè)點(diǎn)相鄰兩次高程監(jiān)測(cè)值偏差無(wú)具體變化規(guī)律，離散性較大。

為進(jìn)一步分析橋面位移變化情況，需要進(jìn)行橋面高差浮動(dòng)范圍分析，以推得位移測(cè)點(diǎn)沉降的特征值。具體是取各次監(jiān)測(cè)高程最大值和最小值偏差（實(shí)測(cè)高程與各次高程平均值之差），并對(duì)其重新調(diào)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(cè)值偏差上下浮動(dòng)曲線。將各次測(cè)量間的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，繪制沉降浮動(dòng)曲線如圖10、圖11所示。

圖10　北側(cè)位移測(cè)點(diǎn)高程高差偏差浮動(dòng)范圍

根據(jù)圖10、圖11，南北兩側(cè)相對(duì)沉降浮動(dòng)最大位置均為跨中區(qū)域，浮動(dòng)范圍分別為±2.3 mm、±1.9 mm。

圖11　南側(cè)位移測(cè)點(diǎn)高程高差偏差浮動(dòng)范圍

3.2應(yīng)變監(jiān)測(cè)

為具體分析應(yīng)力變化情況，將每次應(yīng)變監(jiān)測(cè)值與初讀數(shù)相減，根據(jù)混凝土彈性模量得到每次應(yīng)力監(jiān)測(cè)值，繪制歷次平均應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與第1次監(jiān)測(cè)平均應(yīng)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(yīng)力差值

圖13　系梁底1/4處第n次與第1次平均應(yīng)力差值

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

為進(jìn)一步分析應(yīng)力變化情況，將相鄰兩次監(jiān)測(cè)平均應(yīng)變值相減，根據(jù)混凝土彈性模量值得到每次監(jiān)測(cè)應(yīng)力差值，繪制相鄰兩次監(jiān)測(cè)平均應(yīng)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(yīng)力差值

根據(jù)圖14、圖15，系梁底面相鄰兩次監(jiān)測(cè)應(yīng)力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范圍內(nèi)波動(dòng)變化，從整個(gè)監(jiān)測(cè)期考慮系梁底面相鄰兩次監(jiān)測(cè)應(yīng)力差值總體呈拉應(yīng)力，則系梁底面有受拉趨勢(shì)。

圖15　系梁底1/4處相鄰兩次平均應(yīng)力差值

3.3持續(xù)下?lián)显蚍治?/p>

3.3.1現(xiàn)狀下橋梁承載能力評(píng)估分析結(jié)論

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

圖16　系桿拱計(jì)算模型

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

（2）現(xiàn)狀下系桿拱全預(yù)應(yīng)力混凝土系梁的強(qiáng)度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范要求；

（3）現(xiàn)狀下系桿拱預(yù)應(yīng)力混凝土端橫梁的強(qiáng)度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范和部分預(yù)應(yīng)力混凝土系A(chǔ)類(lèi)構(gòu)件的要求；

（4）現(xiàn)狀下系桿拱預(yù)應(yīng)力混凝土中橫梁的強(qiáng)度、剛度和抗裂性均滿足85規(guī)范和部分預(yù)應(yīng)力混凝土系B類(lèi)構(gòu)件的要求；

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

3.3.2溫度對(duì)跨中區(qū)域下?lián)嫌绊懛治?/p>

采用Midas Civil2013建立空間模型（如圖17所示），分析得到監(jiān)測(cè)期間最大升溫差值33 ℃對(duì)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(duì)跨中區(qū)域位移的影響

3.4監(jiān)測(cè)結(jié)論及建議

（1）橋梁跨中區(qū)域橋面高程持續(xù)降低，北側(cè)最大下?lián)现颠_(dá)4.6 mm，南側(cè)最大下?lián)现颠_(dá)3.7 mm，監(jiān)測(cè)期間最大升溫差值33 ℃對(duì)跨中區(qū)域位移的影響值為-2.5 mm；

（2）從整個(gè)監(jiān)測(cè)期考慮系梁底面應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與初讀數(shù)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(cè)應(yīng)力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范圍內(nèi)波動(dòng)變化，從整個(gè)監(jiān)測(cè)期考慮系梁底面相鄰兩次監(jiān)測(cè)。應(yīng)力差值總體呈拉應(yīng)力，系梁總體呈持續(xù)受拉狀態(tài)；

（3）橋面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果和系梁的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)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(cè)結(jié)果較為一致，應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果能較好地反映系梁的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)，均能說(shuō)明在監(jiān)測(cè)期內(nèi)系梁總體呈持續(xù)受拉狀態(tài)。

（4）現(xiàn)狀下，系桿拱各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和抗裂性均滿足規(guī)范要求；考慮對(duì)橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析的要求，為保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，建議對(duì)該橋所有測(cè)點(diǎn)豎向位移和應(yīng)力變化繼續(xù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以掌握更多的有效分析數(shù)據(jù)，以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有更穩(wěn)定可靠的評(píng)定，為后期的維修加固和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)某鋼筋混凝土系桿拱橋進(jìn)行了為期1年的位移與應(yīng)變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)，通過(guò)振弦式應(yīng)變計(jì)和精密電子水準(zhǔn)儀可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，兼顧了此類(lèi)橋型長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方案的可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，為此類(lèi)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)、后期的養(yǎng)護(hù)和維修加固施工提供參考。

［1］陳寶春.拱橋技術(shù)的回顧與展望［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（1）：94-106.

［2］黃方林，王學(xué)敏，陳政清，等.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26（2）：1-7.

［3］施洲，蒲黔輝，李曉斌，等.橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)方法及其精度分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2008，34（4）：93-97. ［4］GB 50026—2007工程測(cè)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(cè)與維修加固設(shè)計(jì)工作。

（2015-06-15）