劉勝超，杜建濤

（1.天津生態(tài)城綠色交通有限公司，天津 300467；2.天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074）

橋梁在服役期內(nèi)受車(chē)輛荷載疲勞效應(yīng)、環(huán)境腐蝕和材料老化等因素耦合作用，不可避免地產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減[1]。為避免橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞，開(kāi)展結(jié)構(gòu)評(píng)估，掌握結(jié)構(gòu)真實(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)很有必要。常規(guī)的橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估是借助便攜式儀器進(jìn)行人工目測(cè)檢查。對(duì)于需要重點(diǎn)關(guān)注的橋梁，常規(guī)的檢查方法具有局限性，主要表現(xiàn)：

1）檢查工作需要大量人力、物力的支持和配合，由經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)工程師利用登高車(chē)、橋梁檢測(cè)車(chē)等措施對(duì)構(gòu)件近距離查看；

2）以單一構(gòu)件為對(duì)象，只能提供局部的監(jiān)測(cè)和診斷信息，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)工程師對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整合、分析，才能獲取全面、完整的結(jié)構(gòu)健康評(píng)估信息；

3）周期長(zhǎng)、時(shí)效性差，橋梁結(jié)構(gòu)的檢查周期可達(dá)數(shù)年，在有重大事故或嚴(yán)重自然災(zāi)害的情況下，不能提供即時(shí)信息。

橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的傳感器感知橋梁環(huán)境、交通荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，面向橋梁全壽命期不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致事故的異常參數(shù)并及時(shí)報(bào)警；同時(shí)，能夠長(zhǎng)期不間斷地對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，完整記錄突發(fā)事件過(guò)程，便于事后評(píng)估處理[2]。因此，針對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性等，建立一個(gè)針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是有必要的。

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分之一，通過(guò)將橋梁結(jié)構(gòu)在車(chē)輛等荷載作用下的響應(yīng)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀況，判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，根據(jù)既定的邏輯判斷關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的變化進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)提醒養(yǎng)護(hù)人員提前采取防范措施。預(yù)警是否及時(shí)和準(zhǔn)確，直接影響到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用效果，為確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警值，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，主要對(duì)有限元模型參數(shù)進(jìn)行修正，使計(jì)算模型盡可能與結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)相符[3]，在保證系統(tǒng)有效性的前提下，盡可能減少計(jì)算工作量。

本文以一座裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)預(yù)警值的計(jì)算方法及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置原則，利用系統(tǒng)采集的某一周期內(nèi)全時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、裂縫變化情況進(jìn)行分析、研究，以期為同類(lèi)型項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

擬研究橋梁由結(jié)構(gòu)基本相同的兩幅獨(dú)立橋組成，全長(zhǎng)3 807 m、全寬26 m，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱形梁和30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁。

2 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警值建立

建立對(duì)應(yīng)橋梁初始狀態(tài)的基準(zhǔn)模型，計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下最不利工況的結(jié)構(gòu)參數(shù)理論變化值，以此為基準(zhǔn)確定橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的閾值。當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)超過(guò)閾值時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值發(fā)送不同級(jí)別的預(yù)警。

單梁受力是裝配式結(jié)構(gòu)的“致命”病害，當(dāng)橋梁出現(xiàn)單梁受力現(xiàn)象時(shí)，在重載、超載車(chē)輛的作用下可能會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷板，甚至橋梁垮塌的事故。本文利用有限元分析軟件Midas/Civil，計(jì)算橋梁發(fā)生單梁受力時(shí)的預(yù)警值。

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C48，重度26 kN/m3；橋面鋪裝層為8 cm厚瀝青混凝土，重度24 kN/m3；防撞墻每延米混凝土0.32 m3，重度24 kN/m3；汽車(chē)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)，掛車(chē)-120；混凝土結(jié)構(gòu)體系溫差為34℃（升溫）、-10℃（降溫）；主梁上下緣日照溫差為10℃。

2.2 預(yù)警值計(jì)算

采用兩級(jí)預(yù)警[4]：一級(jí)預(yù)警表示橫隔板正常工作，各主梁之間為剛接，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)正常使用極限狀態(tài)；二級(jí)預(yù)警表示橫隔板連接失效，各主梁之間為鉸接，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)單梁受力的趨勢(shì)。

兩級(jí)預(yù)警發(fā)生時(shí)主梁橫向傳力模式對(duì)應(yīng)不同橫向分布系數(shù)計(jì)算理論，分別為剛接板梁法和鉸接板梁法[5]，因此模擬T形梁橫隔板正常工作和連接失效兩種狀態(tài)。各主梁橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主梁橫向分布系數(shù)

對(duì)比表1鉸接板梁法、剛接板梁法橫向分布系數(shù)可知，橫隔板完好狀態(tài)下邊梁分擔(dān)更多荷載，代表邊梁的更不利狀態(tài)，因此對(duì)于邊梁只設(shè)置1級(jí)預(yù)警值。將橫向分布系數(shù)應(yīng)用到有限元單梁模型中，計(jì)算結(jié)果顯示汽車(chē)荷載中掛車(chē)荷載效應(yīng)起控制作用。見(jiàn)圖1。

圖1 荷載作用下T形梁應(yīng)力

掛車(chē)荷載作用下各主梁應(yīng)變閾值見(jiàn)表2。

表2 主梁應(yīng)力預(yù)警值MPa

3 T形梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)歷年橋梁檢測(cè)結(jié)果及病害分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝的傳感器包括應(yīng)變傳感器、裂縫計(jì)和環(huán)境溫度傳感器，分別對(duì)T形梁跨中腹板和橫隔板的應(yīng)力、T形梁腹板豎向裂縫和斜裂縫寬度以及傳感器位置環(huán)境溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

選取主梁跨中截面作為控制截面，在每根主梁底部布置一個(gè)應(yīng)變傳感器，安裝于梁底混凝土，在橫隔板布置應(yīng)變傳感器；監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及裂縫變化；共計(jì)15個(gè)測(cè)點(diǎn)。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 T形梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)

圖3 裂縫測(cè)點(diǎn)編號(hào)

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

除mcu1-05測(cè)點(diǎn)外，T形梁應(yīng)變變化量在120以?xún)?nèi)，橫隔板應(yīng)變變化量基本在100以?xún)?nèi)。見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

mcu1-05傳感器由車(chē)輛荷載引起的最大數(shù)值為1 047。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，mcu1-05傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力裂縫，折算裂縫寬度變化為0.16 mm，車(chē)輛通過(guò)后梁體裂縫恢復(fù)到初始狀態(tài)，梁體處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全[6]。

3.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)存裂縫變化情況

T形梁腹板裂縫寬度變化在0.05 mm以?xún)?nèi)，與溫度負(fù)相關(guān)，隨溫度升高而減小，溫度降低而增大，裂縫寬度變化主要受溫度影響。見(jiàn)圖4。

圖4 mcu1-10號(hào)測(cè)點(diǎn)裂縫寬度時(shí)程曲線

橫隔板裂縫寬度變化在0.12 mm以?xún)?nèi)，與溫度負(fù)相關(guān)，隨溫度升高而減小，溫度降低而增大，T形梁橫隔板裂縫寬度變化受車(chē)輛荷載影響大于受溫度影響。見(jiàn)圖5。

圖5 mcu1-13號(hào)測(cè)點(diǎn)裂縫寬度時(shí)程曲線

綜上，T形梁應(yīng)變均小于閾值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；T形梁應(yīng)變、裂縫寬度，橫隔板裂縫寬度與溫度呈負(fù)相關(guān)；橫隔板應(yīng)變與溫度呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

1）橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警的前提是準(zhǔn)確輸入預(yù)警值。本文提出針對(duì)單梁受力的預(yù)警值建立方法，對(duì)相關(guān)工程具有一定的借鑒意義。

2）當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常值時(shí)，應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查與計(jì)算分析相結(jié)合的方法，查明數(shù)據(jù)異常的原因并深挖數(shù)據(jù)反映的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。