徐一超，王淬勵

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.福州市公路局長樂分局，福州 福建 350211）

基于簡易型監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁狀態(tài)快速評定方法

徐一超1，2，王淬勵3

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.福州市公路局長樂分局，福州 福建 350211）

文章基于簡易型監(jiān)測系統(tǒng)和多線程無線采集系統(tǒng)，采用準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)獲得橋梁主梁控制點(diǎn)位移影響線，直接由準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)結(jié)果推算得到荷載試驗(yàn)結(jié)果，并在某國省干線大橋進(jìn)行了實(shí)橋驗(yàn)證，結(jié)果表明，準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)可在一定程度上代替常規(guī)靜載試驗(yàn)。

橋梁工程；簡易型監(jiān)測系統(tǒng)；狀態(tài)評估；準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)；位移影響線

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的公路建設(shè)和公路橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)。我國的橋梁建設(shè)不論在建設(shè)數(shù)量、規(guī)模，還是技術(shù)難度上，都已位居世界橋梁建設(shè)強(qiáng)國之列但是橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全狀態(tài)形勢卻日趨嚴(yán)峻，我國最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在70余萬座公路橋梁中有約9萬余座為四、五類危橋，危橋數(shù)量呈邊治邊增的趨勢。既有橋梁的結(jié)構(gòu)損傷檢測和狀態(tài)評估問題20世紀(jì)50年代就已提出并深受重視，除大量研究文獻(xiàn)外，已出版有若干方法和規(guī)程。但由于受橋梁設(shè)計荷載等級、施工方法與質(zhì)量、材料性能好壞及結(jié)構(gòu)完好狀況等眾多因素影響，一般難以對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行定量分析。目前國內(nèi)外常用的方法，主要是外觀調(diào)查、檢算評定并輔以荷載試驗(yàn)。橋梁外觀檢查和檢算雖能快速檢評橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但由于受主觀因素影響，精度較差；荷載試驗(yàn)精度雖高但費(fèi)時費(fèi)力，且需長時段中斷交通。因此，有必要研究提出一套完整的精度高、測試快捷的快速承載能力評定方法。

1 既有橋梁快速狀態(tài)評定方法研究

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和有限元結(jié)構(gòu)分析水平的提高，橋梁結(jié)構(gòu)的測試方法，已從單一手工應(yīng)變儀測試方法，向微處理器控制的數(shù)據(jù)采集方法過渡，將分析模型和現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，BDI結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)就是以這種綜合的結(jié)構(gòu)評估方法為基礎(chǔ)開發(fā)的一種準(zhǔn)靜態(tài)、低頻率測試系統(tǒng)，其為結(jié)構(gòu)的耐久性評估方法及檢測技術(shù)提供了一種集成化的方法。準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)通過測量車輛作用下影響線，將其與理論計算得到的影響線相比較，通過調(diào)整橋梁模型參數(shù)使理論計算影響線和實(shí)測影響線相符合。

2006年交通部公路科學(xué)研究院組織完成了《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》研究項(xiàng)目，并發(fā)布了其報批稿，其對原《公路舊橋承載力鑒定方法》(試行)進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化和調(diào)整，2011年交通運(yùn)輸部頒布并實(shí)施了（JTG/T J21—2011）公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》。在這些規(guī)程基礎(chǔ)上，國內(nèi)研究人員還進(jìn)行了很多新的探索與實(shí)踐。2006年周建庭、郝義等［1］對理論影響線與實(shí)際影響線之間存在的偏差進(jìn)行了研究，以梁式橋?yàn)閷ο?，推?dǎo)出實(shí)測橋梁影響線的遞推迭代公式，文章進(jìn)一步結(jié)合實(shí)橋，應(yīng)用實(shí)測影響線遞推迭代法來評定橋梁實(shí)際承載力，可靠性檢驗(yàn)表明，該技術(shù)具有可靠、直觀、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。2009年，李玉紅［2］，廖靜波，唐光武等［3］通過對重慶市忠縣瓦壩至天欠4級公路上的烏楊大橋的靜載試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于影響線的中小跨度梁橋的承載力評估的可行性，對于拱橋、危橋等比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)測影響線對計算模型進(jìn)行定性判斷，可提高加載試驗(yàn)方案的可靠性達(dá)到降低靜載試驗(yàn)風(fēng)險的目的。2009年，張宇峰、段鴻杰等［4］提出了基于實(shí)測應(yīng)變影響線的模型校準(zhǔn)技術(shù)的準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)承載能力評定方法，該方法與檢算法相比主觀性小、準(zhǔn)確性高，而又較常規(guī)荷載試驗(yàn)法費(fèi)用低廉且對正常交通影響小（可將對交通的中斷由8 h以上降低為0.5 h以內(nèi)），在一定程度上可以替代常規(guī)荷載試驗(yàn)，或作為檢算法與傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)法之間的一種中間評定方法。東南大學(xué)張建教授團(tuán)隊開展了采用準(zhǔn)分布式FBG傳感技術(shù)的梁式橋快速荷載試驗(yàn)與狀態(tài)評估技術(shù)研究，提出采用全橋?qū)崪y應(yīng)變場計算得到控制點(diǎn)位移影響線的計算方法，進(jìn)而探討拋開復(fù)雜的模型校準(zhǔn)技術(shù)，直接經(jīng)由準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)結(jié)果推算得到荷載試驗(yàn)結(jié)果的解析算法，從而大大降低了準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)分析難度。

2 基于簡易型監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁快速狀態(tài)評定方法

相比較傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)方法，準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)方法是一種基于影響線對比分析和模型校準(zhǔn)技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)快速評定方法。上節(jié)提到的2種橋梁快速狀態(tài)評定方法，都是基于準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)，分別從模型校準(zhǔn)和分布式傳感兩個角度著手，并通過試驗(yàn)證明了方法具有一定可行性。但是基于實(shí)測應(yīng)變影響線的模型校準(zhǔn)技術(shù)的準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)承載能力評定方法，由于采用傳統(tǒng)單點(diǎn)應(yīng)變測試技術(shù)，分析精度不高；而采用準(zhǔn)分布式FBG傳感技術(shù)的梁式橋快速荷載試驗(yàn)與狀態(tài)評估技術(shù)，由于物理量的轉(zhuǎn)化（間接通過應(yīng)變獲得位移）導(dǎo)致分析精度降低，并且由于全橋的傳感器布設(shè)索導(dǎo)致荷載試驗(yàn)準(zhǔn)備時間較長，試驗(yàn)費(fèi)用較高。

為此對現(xiàn)有的傳感、數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行了深入研究，結(jié)合新技術(shù)、新方法提出了采用傾角儀的橋梁多點(diǎn)同步動撓度測量方法，開發(fā)了BWS2000高精度雙軸傾角儀，該傾角儀分辨率為0.000 5°，精度為0.001°。大量的試驗(yàn)和實(shí)橋測試表明，該設(shè)備具有測量精度高（精度0.1 mm）、受環(huán)境干擾?。▊鞲衅骰静皇軠囟扔绊?，與傳統(tǒng)光學(xué)測量相比不受能見度影響）、動態(tài)實(shí)時測量等優(yōu)勢。數(shù)據(jù)采集與傳輸方面，為了保證多點(diǎn)采集的同步性，開發(fā)了橋梁撓度簡易型監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)測PC機(jī)、分布式傾角儀（CAN從節(jié)點(diǎn)）、USB轉(zhuǎn)CAN總線接口三部分組成，總線末端設(shè)有120匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。其中信號傳輸通過CAN（Controller Area Network）總線來實(shí)現(xiàn)，控制器局域網(wǎng)CAN屬于現(xiàn)場總線范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多數(shù)據(jù)實(shí)時同步采集示意圖

在該系統(tǒng)中，CAN總線構(gòu)成方式為主從串行通信結(jié)構(gòu)，即PC機(jī)作為主機(jī)根據(jù)通信協(xié)議以報文的方式廣播給各個傳感器下達(dá)采集命令，此時所有節(jié)點(diǎn)傳感器同時采集數(shù)據(jù)并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識ID的不同依次傳輸數(shù)據(jù)給主機(jī)；測點(diǎn)撓度值讀取方面，通過對現(xiàn)有的傾角轉(zhuǎn)撓度算法的研究，結(jié)合橋梁撓度測量中對于測點(diǎn)間距的實(shí)際需求，提出了改進(jìn)的辛普森數(shù)值積分法。實(shí)橋試驗(yàn)表明，該方法可以準(zhǔn)確獲得橋梁不等間距測點(diǎn)的撓度值。同時，采用傾角儀的橋梁撓度測量方法，傳感設(shè)備測量精度高、易安裝拆除，可以應(yīng)用到短期的橋梁檢測，同時由于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時動撓度測量，也可以應(yīng)用到長期的橋梁監(jiān)測中，具有其它傳感設(shè)備和測量方法不可替代的優(yōu)勢。

在此基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合簡易型監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁快速狀態(tài)評定方法（見圖2）。該方法的主要思路是：(1)針對準(zhǔn)靜態(tài)荷荷載試驗(yàn)人力進(jìn)行加載車定位、測點(diǎn)撓度測量、加載時間記錄等，為提高測量精度，節(jié)約人力物力減少對正常交通影響，開發(fā)了多測點(diǎn)高頻采集系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了加載車位置與橋梁撓度的數(shù)據(jù)聯(lián)動，形成多路同步數(shù)據(jù)采集；(2)以1～2輛加載車在橋面選定車道緩慢行進(jìn)；(3)實(shí)時采集結(jié)構(gòu)上各測點(diǎn)位移時程曲線，并同步記錄各時間點(diǎn)加載車在橋上的行駛位置；(4)利用上述實(shí)測數(shù)據(jù)計算得到橋梁各控制測點(diǎn)的位移影響線，換算得到檢算系數(shù)，采用與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)相同的方法對橋梁承載能力做出評價。

圖2 橋梁狀態(tài)評估技術(shù)示意圖

3 實(shí)橋準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)

3.1 工程概況

主橋上部結(jié)構(gòu)為（53+85+53）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱單室直腹板連續(xù)箱梁，橋面布置為0.5 m（欄桿）+16.25 m（行車道）+0.5 m（欄桿），主橋箱梁采用縱、豎向預(yù)應(yīng)力體系。對該橋進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)，并采用上述方法進(jìn)行橋梁撓度影響線測定。撓度測試斷面選擇中跨八等分點(diǎn)斷面，其中撓度測點(diǎn)布置在S1～S9斷面，轉(zhuǎn)角測點(diǎn)除布置在S1～S9斷面外，左半跨還在十六等分點(diǎn)上布置傾角儀，即S10～S13斷面，具體見圖3。

本次試驗(yàn)選用2輛每輛總重為300 kN左右的 3軸重車進(jìn)行加載，車型如圖4所示，常規(guī)300 kN 3軸車的輪、軸距和軸重見表1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)時，在橋梁上以分車道單車以車速為5 km/h勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，傾角儀實(shí)時記錄車輛通過橋梁過程中各測點(diǎn)的變形；同時根據(jù)加載車定位實(shí)時采集各時刻點(diǎn)加載車的位置，通過數(shù)據(jù)處理來得到各工況下各測點(diǎn)的位移影響線。值得說明的是，由于加載車定位裝置是以前軸來進(jìn)行定位，通過計算車輛的中心距離前輪為154 cm，因此加載車同步的時間向后相應(yīng)推遲1.54/5×3.6≈1.1 s。圖5分別為加載單車在1車道和2車道時，主橋跨中斷面的撓度影響線。

圖3 測試斷面示意圖（單位：cm）

圖4 加載車型圖（單位：cm）

表1 300 kN車輛常規(guī)技術(shù)參數(shù)表

利用準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)的分析結(jié)果，可以推算得到荷載在任意位置主橋多個測點(diǎn)的位移值。為了進(jìn)一步校驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，在準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上，通過靜態(tài)水準(zhǔn)儀補(bǔ)充測量了2輛300 kN卡車分別停在主橋跨中1、2車道時的主橋跨中撓度值，測量結(jié)果為2.97 mm。通過圖5可見，橋上位置（53+85/ 2）=95.5 m時，對應(yīng)的撓度值分別為1.53 mm和1.42 mm，即測量結(jié)果為2.95 mm，接近常規(guī)靜載試驗(yàn)。因此，準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)可在一定程度上代替常規(guī)靜載試驗(yàn)。

圖5 不同工況下主橋跨中撓度位移影響線

4 結(jié)論

（1）準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)可在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜載試驗(yàn)，達(dá)到節(jié)約人力物力，減少對正常交通影響的目的；

（2）本文中位移測點(diǎn)的校驗(yàn)位置在主橋跨中位置，分析結(jié)果表明跨中位移測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，下一步可以針對不同的橋型、不同的測試位置進(jìn)行方法的應(yīng)用與推廣，逐步完善研究框架與體系；

（3）結(jié)合簡易型監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁快速狀態(tài)評定方法可以進(jìn)行橋梁狀態(tài)評定和承載能力評估，并對長期使用中可能出現(xiàn)的病害做出預(yù)測。

［1］周建庭，郝義，沈小俊，等.遞推迭代實(shí)測橋梁影響線原理及其應(yīng)用研究［J］. 2006，23（6）：81-84.

［2］李玉紅.基于準(zhǔn)靜態(tài)廣義影響線的中小跨度梁橋承載能力評定方法初步研究［D］. 重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

［3］廖靜波，唐光武，張又進(jìn)，等.實(shí)測準(zhǔn)靜態(tài)廣義影響線在橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用研究［J］. 公路交通技術(shù)，2009（6）：65-68.

［4］張宇峰，段鴻杰，馬志國.基于準(zhǔn)靜態(tài)荷載試驗(yàn)的梁式橋梁狀態(tài)快速評定［J］. 現(xiàn)代交通技術(shù)，2009，6（5）：21-24

［5］Filipe Cavadas，Smith IanF C，Joaquim Figueiras. Damage detection using data-driven methods applied to moving-load responses［J］. Mechanical Systems and Signal Processing，2013，39：409-425.

表4 掛籃主桁與前上橫梁交點(diǎn)處測量成果表

5 結(jié)語

卡納普里三橋主橋施工中利用“預(yù)應(yīng)力筋配合千斤頂模擬施加力”的方式對掛籃進(jìn)行靜載試驗(yàn)，該種試驗(yàn)方法具有構(gòu)造簡單、試驗(yàn)快捷、數(shù)據(jù)可靠、節(jié)約成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。

本工程掛籃靜載試驗(yàn)的特點(diǎn)是對掛籃加載裝置因地置宜地進(jìn)行設(shè)計，提前在承臺施工時進(jìn)行預(yù)埋件安裝，巧妙利用2種預(yù)應(yīng)力筋的張拉體系對掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力加載，加載裝置構(gòu)造簡單、受力明確。試驗(yàn)結(jié)果表明，本工程掛籃結(jié)構(gòu)主桁架、前上橫梁、后上橫梁、后錨固系統(tǒng)、前支點(diǎn)等工作良好，沒有明顯變形，掛籃的整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計和施工要求，是安全可靠的。該種掛籃靜載試驗(yàn)的方法在卡納普里三橋主橋施工中的成功應(yīng)用，值得類似工程借鑒。

參考文獻(xiàn)

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［2］余本俊，謝紅兵.孟加拉卡納普里三橋主橋施工［J］.世界橋梁，2010（2）：1-4.

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［4］馮浩，楊志楚.元江大橋2#墩掛籃預(yù)壓技術(shù)［J］.云南交通科技，2003（4）：18-21.

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（收稿日期：2015-11-02）

Research on Rapid Condition Assessment Method of Bridge Based on Simple Monitoring System

Xu Yichao1,2, Wang Cuili3
（1. The State Key Laboratory on Safety and Health of In-service Long-span Bridges, Nanjing 211112, China; 2. JSTI Group, Nanjing 211112, China; 3. Fuzhou Changle Branch of Highway Bureau, Fuzhou 350211, China）

In this paper, the displacement influence line of control points of main girder is obstained based on simple monitoring system and multithreaded wireless acquistion system. Thus the load tests results are calculated by results of quasi static load test. Practical verification is conducted on a national highway bridge, the results show that the qusai static can take the place of conventional static losd test.

bridge engineering; simple monitoring system; condition assessment; quasi-static load testing; displacement influence line

U446.2

A

1672-9889（2016）05-0051-04

2016-07-29）

徐一超（1991-），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，研究方向?yàn)闃蛄航】当O(jiān)測與檢測科研。