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        重慶中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的特點(diǎn)及實(shí)踐探索

        2018-12-03 01:11:48重慶市公路局王慶珍
        中國公路 2018年21期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)

        文/重慶市公路局 王慶珍

        重慶長江大橋復(fù)線橋

        重慶作為內(nèi)陸西南、長江上游地區(qū)的唯一直轄市,由于橋梁數(shù)量眾多、技術(shù)水平高及橋梁結(jié)構(gòu)型式多樣化,被稱為中國“橋都”。其中,重慶萬州長江大橋曾保持了跨徑最大的公路鋼筋混凝土拱橋,重慶長江大橋復(fù)線橋曾保持了跨徑最大的連續(xù)剛構(gòu)橋等世界紀(jì)錄。重慶市普通公路橋梁約有九千多座,其中中小橋梁占絕大多數(shù),主要結(jié)構(gòu)為各類型的梁橋和拱橋。

        在役中小跨橋梁在荷載長期作用、環(huán)境侵蝕、材料老化等因素的共同作用下,將不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和承載能力衰減。如何保證數(shù)量龐大的中小跨梁橋運(yùn)行安全,是橋梁管養(yǎng)部門面臨的重要難題。通過安裝橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測橋梁病害發(fā)生和發(fā)展情況,及時了解橋梁的安全狀態(tài),獲知橋梁的結(jié)構(gòu)損傷情況,以便積極采取措施,更好地保障橋梁的安全運(yùn)行。

        近年來,為彌補(bǔ)橋梁傳統(tǒng)檢查方法的不足,結(jié)構(gòu)監(jiān)測在中小跨混凝土梁橋中的應(yīng)用越來越多。但是,目前國內(nèi)外關(guān)于橋梁監(jiān)測的科學(xué)研究、技術(shù)規(guī)范和工程實(shí)踐主要集中在特大跨徑橋梁領(lǐng)域,對中小跨徑橋梁安全與結(jié)構(gòu)監(jiān)測的實(shí)踐及經(jīng)驗還比較少。

        中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測體系的特點(diǎn)

        由于結(jié)構(gòu)重要性及橋梁規(guī)模等原因,中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)有別于大橋,在系統(tǒng)設(shè)計時,不應(yīng)追求“高、大、全”,而應(yīng)遵循“因地而異、因橋而異、經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠”的原則。不同地理位置的橋梁因橋址處環(huán)境不同,需監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)不同;不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁監(jiān)測內(nèi)容也應(yīng)有針對性。在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮到投資額度的影響,設(shè)計時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案開展成本、效率分析,最優(yōu)化地選擇監(jiān)測的硬件與系統(tǒng)框架,設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠的健康(安全)監(jiān)測系統(tǒng)。

        更重要的是應(yīng)結(jié)合中小跨橋梁實(shí)際病害特點(diǎn),針對主要安全隱患進(jìn)行針對性地監(jiān)測,不一定進(jìn)行全面參數(shù)的監(jiān)測。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特點(diǎn),中小橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一般包括應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、撓度監(jiān)測系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、裂縫監(jiān)測系統(tǒng)及相應(yīng)配套系統(tǒng),即主要的監(jiān)測項目主要包括橋梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、橋梁撓度監(jiān)測、橋梁溫度監(jiān)測、橋梁裂縫監(jiān)測。

        表1 重慶某公路常見中小橋的恒活載比例

        表2 活載作用下的中小橋梁跨中截面撓度、應(yīng)變值

        中小橋梁恒活載比關(guān)系及對結(jié)構(gòu)監(jiān)測的影響

        橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的主要對象,是橋面通行的活載及其作用效應(yīng),并據(jù)此判斷橋梁的健康狀態(tài),中小跨橋梁與大跨徑橋梁在這方面有顯著差異。本文選取了重慶某公路上較有代表性的多座中小跨徑簡支梁橋進(jìn)行恒活載比例研究,其主梁截面形式為空心板、T梁,基本涵蓋了重慶地區(qū)現(xiàn)有公路最常見的中小跨徑橋梁橋型。

        基于有限元計算模型,提取各樣本橋梁跨中位置的恒、活載彎矩值,考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計時荷載組合情況,分別計算在標(biāo)準(zhǔn)作用組合下(各作用組合系數(shù)均取1.0)活載效應(yīng)占恒、活載總效應(yīng)的比例,記為1。計算樣本橋梁的活載占比結(jié)果如表1所示。

        如表1所示,該公路上常見的中小跨橋梁活載效應(yīng)占比很高,常見跨徑下的活載效應(yīng)占比約40%至50%,活載占比隨跨徑的增大有逐步減小的明顯趨勢。而大跨徑橋梁由于自重占總荷載的比例較大,往往達(dá)80%至90%以上,活載僅占總效應(yīng)的10%左右。相比之下,中小跨橋梁活載占總荷載效應(yīng)的比例遠(yuǎn)大于大跨度橋梁。因此,中小跨橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測中,活載效應(yīng)將占有非常重要的位置,這一點(diǎn)與大跨徑橋梁明顯不同。對該類橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測及運(yùn)行安全狀態(tài)評估應(yīng)充分考慮活載響應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果。

        如表2所示,樣本橋梁分析結(jié)果顯示,由活載效應(yīng)引起的中小跨橋梁下緣拉應(yīng)變變化的絕對量和相對值均非常大,遠(yuǎn)大于一般的大跨徑橋梁;撓度的量值變化也較大。

        結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用,采用采樣頻率高的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及配套傳感器,可以保證實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性,能捕捉到活載引起的各類應(yīng)變、撓度效應(yīng),有利于進(jìn)行橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評判。因此,對中小梁橋應(yīng)變(應(yīng)力)、撓度監(jiān)測采用動態(tài)監(jiān)測的意義較大。

        圖1 重慶萬州長江大橋

        圖2 春天門大橋立面照片

        圖3 春天門大橋伸縮縫間隙

        圖4 羅家壩橋立面照片

        中小跨橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測實(shí)例與分析

        春天門橋

        春天門橋位于重慶市巴南區(qū)縣道235線雙清路290米處,該橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,全長380米,橋面全寬12米,橫向布置為0.5米(欄桿)+11米(行車道)+0.5米(欄桿);全橋跨徑組合為9×40.0米。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,橫橋向布置5片;下部結(jié)構(gòu)為漿砌塊石重力式橋臺,擴(kuò)大基礎(chǔ),柱式橋墩,樁基礎(chǔ);全橋共設(shè)置3道伸縮縫。

        由于在橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)橋墩、支座、伸縮縫存在傾斜、位移偏大的問題,春天門橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要針對車輛通行期間的橋墩位移、伸縮縫變化等。

        結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)于2017年8月份安裝完畢投入使用,至11月下旬后,4條伸縮縫寬度不斷報警,如圖3所示,其報警級別不斷提升,由黃色、橙色,上升到局部紅色。橋梁橫向變形也有所發(fā)展,監(jiān)測顯示第一、二聯(lián)伸縮縫處上部結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向位移,最大橫向變形達(dá)到7.2厘米。經(jīng)過檢測單位現(xiàn)場核實(shí),發(fā)現(xiàn)橋梁各支座普遍存在滑移病害,個別支座損壞,滑移量超標(biāo);部分墩柱傾斜范圍超標(biāo)。該橋現(xiàn)場核實(shí)的情況與結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果一致,根據(jù)病害實(shí)際情況,該橋已確認(rèn)屬于五類危橋,并組織進(jìn)行封閉加固。該橋針對性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)有力地支持了橋梁的管養(yǎng)工作,避免了通車情況下異常事故的發(fā)生。

        表3 羅家壩橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)組成

        圖5 羅家壩橋監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置立面圖

        圖6 羅家壩橋跨中截面應(yīng)變傳感器測點(diǎn)布置

        圖7 羅家壩橋跨中截面撓度傳感器測點(diǎn)布置

        圖8 羅家壩橋ND12-1傳感器由活載引起的撓度效應(yīng)(采樣頻率1Hz,時長12h)

        圖9 羅家壩橋ND12-1傳感器由活載引起的撓度效應(yīng)(采樣頻率1H z,時長11min)

        圖10 結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)局部放大示意

        羅家壩橋

        重慶市沙坪壩區(qū)羅家壩橋為單跨50米簡支T梁橋,其結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)組成如表3及圖5所示;應(yīng)變、撓度傳感器布置斷面圖,如圖6、圖7所示;結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用動態(tài)采集、典型數(shù)據(jù),如下圖8、圖9所示。

        由圖8可見半天內(nèi)活載引起的較大變形值約10毫米,該量值對于該橋結(jié)構(gòu)不可忽視,需進(jìn)一步關(guān)注。

        由圖9、圖10可見,4片主梁變形的差異,其橫向受力的區(qū)別,綠、紫、紅、藍(lán)分別代表1#-4#T梁,其變形響應(yīng)規(guī)律與T梁橫向分布規(guī)律一致。

        如圖9、圖10所示,基于動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),從分離后的活載效應(yīng)得出橋面通行車輛引起的變形情況,據(jù)此可以了解橋面荷載的近似大小及其是否超限。查看原始數(shù)據(jù)可知,每次局部突變變形出現(xiàn)的時間基本都在3秒至5秒之間,與車輛以每小時30公里至50公里速度通過羅家壩橋的時間相符。期間活載引起的應(yīng)變超過50ue,應(yīng)力約2兆帕,量值較大,說明動態(tài)采集能夠有效掌握活載引起的拉應(yīng)力,對于評價橋梁通行活載及其健康狀況有較大作用。

        中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有針對性、適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn),其中對應(yīng)變(應(yīng)力)、撓度監(jiān)測采用動態(tài)監(jiān)測的必要性較大;在活載響應(yīng)比例上明顯大于大跨徑橋梁,常見中小跨范圍其活載比例在50%左右,且隨跨徑的增大而減小。針對中小橋梁,建議使用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),其監(jiān)測結(jié)果完整性較好,能有效掌握活載效應(yīng)的范圍及其對結(jié)構(gòu)的影響,對橋梁監(jiān)測評價及運(yùn)營管理具有積極意義。

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