黃峰 王瑩 程仁慧 蔡笑飛 張鍇 程追 劉新民

摘 要：針對(duì)目前武漢市域內(nèi)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估相關(guān)研究不足的情況，以武漢市某高架箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)安裝在橋梁結(jié)構(gòu)上的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，概述了基于溫度場(chǎng)時(shí)空模型、基于豎向撓度分析及層次分析法的橋梁安全評(píng)估方法，對(duì)保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)有著一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，可為同類橋梁健康狀況評(píng)估研究提供參考。

關(guān)鍵詞：小箱梁橋;健康監(jiān)測(cè);溫度場(chǎng);安全狀態(tài)評(píng)估;層次分析法

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍在不斷發(fā)展中以滿足人們的生活和社會(huì)發(fā)展需要，其中橋梁結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)設(shè)施中最終要的組成部分，而橋梁結(jié)構(gòu)中的小箱梁橋由于其受力特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)適用性往往收到工程師們的青睞[1]。由于橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間的服役狀態(tài)，容易收到環(huán)境因素（如：溫度和風(fēng)速等）和人為因素（如：施工和形成等）的影響，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，因此橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評(píng)估研究顯得尤為重要[2-3]。目前學(xué)者們對(duì)小箱梁橋的安全狀態(tài)評(píng)估研究并不深入，存在著安全評(píng)估方法的選取以及設(shè)計(jì)優(yōu)化等問(wèn)題[4-5]。

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)評(píng)估必須依賴于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，為了采集到這些數(shù)據(jù)需要在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)的獲取橋梁健康信息。且該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠力和物力去評(píng)估橋梁的健康狀態(tài)，同時(shí)也能不間斷的獲取進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)所需要的信息[6]。安徽大學(xué)和清華大學(xué)孫雅瓊等[7]針對(duì)合肥市高架橋依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立了適用于該類型橋的一套評(píng)估方法

本文以武漢地區(qū)某在役混凝土小箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)小箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，截面情況和所處的環(huán)境條件建立起適用于小箱梁的監(jiān)測(cè)方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置傳感器，后期利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程下載、收集、處理和分析數(shù)據(jù)，我們利用采集的數(shù)據(jù)作為我們安全評(píng)估的指標(biāo)，來(lái)建立適用小箱梁的評(píng)估方法，并把兩種方法都進(jìn)行驗(yàn)證，從而也能證明監(jiān)測(cè)方案的合理性。

1 小箱梁監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置

1.1 工程概況

本節(jié)以武漢市某在役混凝土小箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，所測(cè)共5跨，每跨長(zhǎng)為25 m。為了獲取小箱梁實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)、應(yīng)力狀況和相對(duì)位移，我們?cè)谀蟼?cè)第一箱和中間一箱頂板、腹板和底板布設(shè)了溫度傳感器、振弦應(yīng)變計(jì)和拉繩位移計(jì)。并且，將布置的傳感器所采集到的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)對(duì)該小箱梁橋進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估[8]。

1.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)頻率響應(yīng)范圍的不同，應(yīng)變監(jiān)測(cè)又可分為靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，靜態(tài)應(yīng)變反映了橋梁在長(zhǎng)期荷載緩慢作用下強(qiáng)度儲(chǔ)備狀況，而動(dòng)態(tài)應(yīng)變包含了活荷載作用下十分豐富的頻率成分，結(jié)合靜、動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能夠很好地反映實(shí)際運(yùn)營(yíng)橋梁在各種荷載作用下內(nèi)力發(fā)展歷程。考慮到經(jīng)濟(jì)投入與工程應(yīng)用，應(yīng)變監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)力圖用較少的測(cè)點(diǎn)反映橋梁整體最危險(xiǎn)截面應(yīng)力變化。需要結(jié)合有限元仿真分析確定危險(xiǎn)截面，選用電阻式應(yīng)變計(jì)測(cè)量動(dòng)應(yīng)變，振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)量靜應(yīng)變，立面、斷面布置見(jiàn)圖1。

1.3 撓度和墩梁位移測(cè)點(diǎn)的布置

橋梁撓度變形主要是指受荷載作用影響，很多因素導(dǎo)致橋面比較嚴(yán)重的豎向變形，當(dāng)橋梁處于自然環(huán)境且在服役過(guò)程中容易受到日照輻射以及大氣氣溫的影響，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的梁端位移。一旦結(jié)構(gòu)的撓度和位移產(chǎn)生較大的形變，將會(huì)對(duì)橋上的人車造成很大的威脅，因此采用精度較高的儀器對(duì)橋梁的撓度變形和位移定時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于把控橋梁建設(shè)質(zhì)量、掌握既有橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)具有十分重要的作用。在所有的檢測(cè)設(shè)備中傾角儀可操作性強(qiáng)、成本低、受環(huán)境變化影響小，且測(cè)量精度高、工作量小，較適用于中小跨徑的梁式橋，其優(yōu)化布置圖如圖2。

1.4 環(huán)境參數(shù)及視頻測(cè)點(diǎn)的布置

由于環(huán)境溫度的影響會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形和內(nèi)力[9]，因此，在對(duì)橋梁的安裝狀況進(jìn)行評(píng)估時(shí)需考慮溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。目前，各國(guó)規(guī)范中對(duì)溫度梯度都有規(guī)定，因所處的地理環(huán)境不同，但是仍然不足以規(guī)范并不能反映該橋?qū)嶋H溫度。因此，獲取橋梁結(jié)構(gòu)在不同的溫度下的狀態(tài)可以用在橋梁相應(yīng)的位置布設(shè)溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)溫度傳感器的作用原理不同，本橋選用數(shù)字型溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)小箱的溫度變化情況，其優(yōu)化布置見(jiàn)上圖3。

車輛荷載是公路橋梁的基本可變荷載之一，是橋梁疲勞劣化最主要的原因，對(duì)車輛荷載進(jìn)行實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能夠?yàn)闃蛄喊踩珷顟B(tài)評(píng)估提供可靠依據(jù)，然而目前橋梁車輛荷載的監(jiān)測(cè)還停留在傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易短時(shí)半人工檢測(cè)階段。

由于考慮到外界環(huán)境和人為因素，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)備都安裝在橋梁結(jié)構(gòu)之中，用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。各數(shù)據(jù)采集設(shè)備以傳感器類型為單元，將相應(yīng)各類傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成在同一系統(tǒng)中，再通過(guò)連接DTU元件，將所有的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存。小箱梁橋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用SQL Server 2008r2模式平臺(tái)軟件作為數(shù)據(jù)管理中心，對(duì)各類監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存及分類管理，實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化，并可通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)的分析來(lái)評(píng)估橋梁的安裝狀態(tài)。

2 安全評(píng)估方法研究

在對(duì)小箱梁橋進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集和儲(chǔ)存大量的各類安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算分析各類監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，選用合適的評(píng)估方法，可鑒定城市箱梁橋在正常運(yùn)營(yíng)期間是否滿足使用功能和安全性的要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的損傷并給出相應(yīng)的維修加固建議，以保證城市箱梁橋的安全運(yùn)營(yíng)。本文依托小箱梁橋的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用溫度場(chǎng)仿真模型和層次分析法評(píng)估該箱梁橋的安全運(yùn)營(yíng)狀況。

2.1 基于溫度場(chǎng)時(shí)空模型的橋梁安全評(píng)估

本文通過(guò)ANSYS建立該小箱梁橋有限元模型，把Hypermesh當(dāng)成連接的平臺(tái)，轉(zhuǎn)換ANSYS與TAITherm。在Hypermesh劃分好有限元模型的網(wǎng)格后，將模型轉(zhuǎn)化nas文件為TAITherm讀取，導(dǎo)入其中進(jìn)行有限元模型的拼接組合，賦予模型材料特性以及結(jié)構(gòu)層次。進(jìn)而，導(dǎo)出有限元模型，利用Hypermesh轉(zhuǎn)化為ANSYS可讀取的格式，根據(jù)TAITherm中模型特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)完善模型命令流，為后續(xù)的溫度效應(yīng)計(jì)算做好模型準(zhǔn)備工作。

由從氣象部門搜集得到的諸如氣溫、風(fēng)速、云量等氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建出TAITherm天氣文件，利用仿真模擬計(jì)算得出的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，完善小箱梁橋有限元模型，得出符合全年武漢地區(qū)天氣條件的數(shù)值計(jì)算模型。本文計(jì)算溫度效應(yīng)的流程為：首先ANSYS建立小箱梁的幾何模型，把Hypermesh作為中介，其次利用熱力學(xué)軟件建立仿真模型與實(shí)測(cè)對(duì)比;接著通過(guò)Matlab平臺(tái)將Taitherm中計(jì)算溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度荷載，并施加在Ansys模型上;最后根據(jù)ANSYS模型計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的極端有效溫度和最不利溫度梯度[10]。

小箱梁橋墩頂支座處布置有豎向和徑向位移傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱梁的變形情況，對(duì)豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及小波分析，濾除汽車荷載、風(fēng)荷載等高頻部分，通過(guò)相關(guān)性分析，擬合小箱梁支座高度的變化曲線，預(yù)測(cè)支座的病害發(fā)生。對(duì)徑向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及時(shí)頻分析，通過(guò)相關(guān)性分析，擬合溫差作用下箱梁徑向位移的變化曲線，針對(duì)寒潮期間，該小箱梁橋梁端位移以及梁底應(yīng)力的變化做出相關(guān)分析，通過(guò)小箱梁橋溫度場(chǎng)演化模型和通用結(jié)構(gòu)分析軟件，預(yù)測(cè)和評(píng)估夏季極熱和寒潮天氣情況下小箱梁橋的安全運(yùn)營(yíng)狀況。

2.2 基于層次分析法的橋梁安全評(píng)估

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)就是基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)產(chǎn)生的大量信息進(jìn)行分析，由此來(lái)準(zhǔn)確、有效、方便地判定結(jié)構(gòu)的健康狀況。在本文針小箱梁橋的實(shí)際情況，在全面考慮橋梁結(jié)構(gòu)中各監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁進(jìn)行了層次劃分，設(shè)置了安全評(píng)估層次分析模型，確定了不同指標(biāo)的權(quán)重，并通過(guò)限值儲(chǔ)備量法確定了同一指標(biāo)不同位置測(cè)點(diǎn)的權(quán)重，最終通過(guò)底層指標(biāo)無(wú)量綱評(píng)價(jià)打分逐級(jí)向上，獲得橋梁整體結(jié)構(gòu)的評(píng)分，繼而確定橋梁所處等級(jí)及后續(xù)維護(hù)方法。首先應(yīng)依據(jù)重要性、敏感性、獨(dú)立性、簡(jiǎn)單性等原則確定箱梁橋評(píng)估指標(biāo)，接著建層次結(jié)構(gòu)模型對(duì)其安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，最后根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重分析判定指小箱梁的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，如圖4所示。

根據(jù)層次分析法，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估的流程可分為：

（1）將橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估指標(biāo)共分為三個(gè)層次，且確定各個(gè)等級(jí)所包含的指標(biāo)參數(shù)及相關(guān)權(quán)重。

（2）對(duì)所采集到的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并評(píng)估指標(biāo)的分?jǐn)?shù)。

（3）根據(jù)各指標(biāo)分?jǐn)?shù)計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的總分，進(jìn)而確定橋梁結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)。

其中本文根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)情況確定應(yīng)變、變形和環(huán)境指標(biāo)，分別為0.25、0.5和0.25，且最底層指標(biāo)的權(quán)重均設(shè)置為0.5。

3 結(jié)論

本文通過(guò)在武漢市某混凝土橋梁的關(guān)鍵截面布設(shè)各種傳感器，完成了對(duì)該橋溫度、應(yīng)力、撓度及位移等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與存儲(chǔ)，建立起適用于該類型橋的健康監(jiān)測(cè)方案，基于各類指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用建立溫度場(chǎng)仿真模型和層次分析法等安全評(píng)估方法對(duì)小箱梁橋的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

（1）城市小箱梁橋所處地理環(huán)境復(fù)雜，且關(guān)于城市橋梁的安全事故時(shí)有發(fā)生，橋梁安全問(wèn)題備受公眾的關(guān)注，本文通過(guò)對(duì)武漢市某混凝土高架橋展開(kāi)研究，形成了一套經(jīng)濟(jì)、適用并且較為完備的健康監(jiān)測(cè)方案。

（2）在分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)城市箱梁橋進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，可采用兩種方法進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證各方法的評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同評(píng)估方法之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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