顏永逸，楊國靜，宋曉東，翁順，田煒

(1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031；2.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；3.香港理工大學(xué) 土木及環(huán)境工程學(xué)系，香港 999077)

山區(qū)鐵路隨西部大開發(fā)策略的實施得到高速發(fā)展。但山區(qū)峽谷地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，大跨度混凝土拱橋因其良好的剛度和環(huán)境適應(yīng)性在鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。對于高速鐵路，過大變形會影響橋梁的平順性、舒適性和安全性，因此，橋梁的長期變形控制要求很高[2]。由于結(jié)構(gòu)的受力特點和混凝土材料的特性，混凝土拱橋在運營過程中會出現(xiàn)下?lián)献冃?，需要對橋梁的變形開展監(jiān)測和分析[3]。

學(xué)者們對大跨度拱橋的變形與控制展開了深入的研究。徐昕宇等[3]基于車橋耦合分析，考慮了溫度和徐變的影響，提出了“弦測法”技術(shù)的上承式拱橋變形控制方法和限值。盡管對于結(jié)構(gòu)的變形控制有從理論分析和實際調(diào)控的眾多方法，但準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的變形，特別是其中的徐變變形仍然是當(dāng)前值得重點研究的難題。為了獲得結(jié)構(gòu)的變形和徐變變形成分，馬坤等[4]采用GL2000收縮徐變模型，考慮模型及參數(shù)的隨機性，分別采用拉丁超立方抽樣技術(shù)和基于響應(yīng)面的Monte carlo抽樣技術(shù)，對北盤江特大橋長期變形的隨機性問題進行研究。張雙洋等[5]對北盤江大橋的收縮徐變進行了模型實驗研究。張正陽等[6]基于北盤江大橋的模型試驗，結(jié)合貝葉斯方法對拱橋的長期變形和收縮徐變建立了模型并開展了預(yù)測。王永寶等[7]建立了自然條件下徐變的預(yù)測模型。還有眾多學(xué)著開展了模型試驗與理論分析，都獲得了一定的研究效果[8-11]。但在運營過程中，橋梁結(jié)構(gòu)施工過程、荷載和環(huán)境等多方面因素不斷變化，對模型試驗和理論計算得到的結(jié)構(gòu)變形影響較大[12]。因此，開展基于實橋的大橋變形監(jiān)測與分析技術(shù)研究，才能得到更為合理的橋梁長期變形。

筆者基于實際監(jiān)測得到的溫度和變形數(shù)據(jù)，利用回歸擬合分析，通過確定溫度的周期影響范圍和線性影響參數(shù)，提出一種新的大跨混凝土拱橋的徐變變形分析方法，并且以滬昆客運專線北盤江大橋的實測數(shù)據(jù)進行分析驗證，結(jié)果表明，該方法的計算結(jié)果與規(guī)范的理論值吻合，且計算簡單，無敏感參數(shù)設(shè)置，計算效率較高，適用性強。

1 工程概況

滬昆客運專線北盤江特大橋(如圖1所示)為世界最大跨度混凝土拱橋，設(shè)計時速350 km/h，橋梁全長721.25 m，主橋設(shè)計為445 m上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，矢高100.0 m，矢跨比1/4.45。橋址位于典型的V字形峽谷，山高坡陡、地形復(fù)雜。

圖1 北盤江特大橋

軌道平順性是高速鐵路行車安全性和舒適性的重要保證，其對橋梁變形極為敏感。北盤江特大橋主跨大、運行時速高，為采用勁性骨架施工法的大跨度鋼筋混凝土拱橋。采用此種施工方法形成的拱圈結(jié)構(gòu)體系發(fā)生多次轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)剛度和強度也逐步形成，后期的收縮徐變變形非常復(fù)雜。由于山區(qū)獨特的地形條件，不均勻的日照溫差也會引起橋面的不確定變形。這些都給準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)溫度變形造成了很大的困難，直接影響到了軌道線形，進而影響到列車行車安全性和舒適性。因此，有必要對北盤江特大橋橋面變形進行長期監(jiān)測，建立符合其結(jié)構(gòu)特點的變形觀測系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測，一方面確保運營行車安全，為日后養(yǎng)護管理決策提供科學(xué)依據(jù)；另一方面，掌握這種特殊橋型的收縮與徐變的變形特征及變化規(guī)律。

由于監(jiān)測的重點是拱圈徐變變形及溫度變化引起拱上梁豎向變形，因此，為了準(zhǔn)確測量拱圈收縮徐變、溫度作用引起的梁部下?lián)?，在北盤江大橋的下游側(cè)共選取了14個測點，上游側(cè)選取了3個測點(如圖2)，自下游標(biāo)示位置引液管至上游對應(yīng)測點，采用靜力水準(zhǔn)儀對豎向變形進行觀測，監(jiān)測基準(zhǔn)點可設(shè)置于小里程側(cè)橋臺處?？紤]到傳感器設(shè)備安裝、更換方便且不影響后期運營維護、檢查，將觀測點設(shè)置在拱上墩對應(yīng)的箱梁內(nèi)部，它能直接反映出梁部在運營期間由于拱圈收縮徐變和溫度變化引起的上下起伏情況。2016年7月，在滬昆線北盤江特大橋順利完成了橋面線形自動化監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和初調(diào)，并在8月完成了系統(tǒng)的移交。

圖2 北盤江特大橋監(jiān)測測點布置圖(單位：m)

中鐵二院測繪院自2016年1月2日至2016年10月23日對北盤江特大橋開展了人工觀測。選取下游拱頂測點2016-10-02—2016-10-23時間段人工觀測數(shù)據(jù)與同期自動化系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，沉降差異值數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該期各監(jiān)測部位均有不同程度的沉降變形發(fā)生，最大沉降變形發(fā)生在拱頂5#墩處，人工觀測的沉降值為21.6 mm，自動化監(jiān)測的沉降值為21.4 mm。兩種監(jiān)測方法各監(jiān)測點的最大差值僅為0.966 mm，自動化監(jiān)測結(jié)果與人工觀測結(jié)果吻合較好，表明自動化監(jiān)測具有較高的可靠性，且能滿足高速鐵路橋梁變形測量精度要求。

圖3 人工觀測與系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)對比圖

2 變形分析與徐變計算

2.1 實測變形分析

為更直觀地研究北盤江大橋橋面線形隨溫度和收縮徐變等的變形趨勢，選取了系統(tǒng)運營半年內(nèi)(2016-10-01—2017-05-18)的8個不同時間點，繪出了橋面下游各測點隨時間(或溫度)變化的趨勢圖，如圖4所示。

圖4 橋面線形隨溫度和時間的變化

由圖4可知，橋面線形受溫度變化影響較為敏感。在選取的幾個時間段中，2017-01-24的溫度最低(17.14 ℃)，不均勻沉降差值最大，相對于橋臺處，拱頂沉降達到95 mm，橋面線形相對不平順。隨著溫度的逐漸上升，沉降差值逐漸減小，當(dāng)溫度值為31.3 ℃時(2017-04-10)，相對于橋臺處，拱頂?shù)某两挡钪底钚?，不? mm，橋面線形處于較平順狀態(tài)。從上述分析可看出，截止橋梁開通運營半年內(nèi)，影響橋面線形不平順的主要因素依然是溫度。收縮徐變的影響尚需延長觀察時間進行判斷。

2.2 變形成分分析

橋梁的徐變需要在長期的變形監(jiān)測中分離得出，而通常情況下，長期監(jiān)測的變形S中，不僅僅有徐變變形，還有溫度效應(yīng)、荷載效應(yīng)和損傷效應(yīng)。

S=ST+SP+SC+SD+SR

(1)

式中：ST為溫度效應(yīng)；SP為荷載效應(yīng)；SC為混凝土的收縮徐變；SD為結(jié)構(gòu)損傷；SR為系統(tǒng)誤差。

北盤江大橋為新建橋梁，且屬于世界級重大工程，施工質(zhì)量控制要求高，因此，可以認為在當(dāng)前階段其結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)基本沒有。由于本系統(tǒng)與人工觀測數(shù)據(jù)對比可靠性較高，因此，也可暫時忽略系統(tǒng)誤差效應(yīng)。對于荷載效應(yīng)，通過選取不行車時間段的變形進行相應(yīng)剔除。實際上，本階段大橋的主要變形成分為溫度效應(yīng)和收縮徐變效應(yīng)，如何有效剔除溫度效應(yīng)成分變成了問題的關(guān)鍵。

通常，溫度效應(yīng)主要包含了兩個主要成分：日溫差和年溫差。這兩者在時間尺度上與其他成分不耦合，但日溫差和年溫差對于結(jié)構(gòu)變形上引起的單位溫差效應(yīng)是相同的，所以，分離溫差效應(yīng)是可行的，但直接分離出日溫差和年溫差帶來了更為復(fù)雜的計算。

2.3 徐變擬合計算方法

為快速、簡單地得到徐變和溫度效應(yīng)的計算方法，提出二次擬合回歸分析算法，并可對徐變數(shù)據(jù)進行相應(yīng)預(yù)測。其過程如下：

1)通過觀測，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的撓度變形數(shù)據(jù)和對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。

2)選取撓度變形和溫度數(shù)據(jù)的日特征數(shù)據(jù)(通常可取凌晨時刻的數(shù)據(jù)，此時溫度穩(wěn)定，無列車荷載)，假定日特征數(shù)據(jù)的總量為N。

5)計算日特征數(shù)據(jù)的每相鄰兩個溫度的溫差T′，以日特征數(shù)據(jù)的第一個數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，用溫差T乘以系數(shù)K，并依次累計求和，得到溫度效應(yīng)的變形曲線。

6)用日特征數(shù)據(jù)曲線減去溫度效應(yīng)得到殘余變形曲線。將殘余變形曲線進行二階最小二乘擬合，進一步可以得到徐變隨時間的擬合公式，用以預(yù)測。

3 北盤江大橋徐變分析結(jié)果

選取北盤江大橋下游拱頂處的傳感器自2017年1月1日至2020年6月29日為期3年半的變形觀測數(shù)據(jù)進行分析。變形和溫度的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)分別如圖5所示。

圖5 原始監(jiān)測曲線

從圖5可以看出，北盤江大橋的變形和溫度呈現(xiàn)周期規(guī)律，最大相對變形為140 mm，最高溫度為34 ℃。

選每日凌晨監(jiān)測到的第一個數(shù)據(jù)作為日特征數(shù)據(jù)，這樣一方面沒有列車荷載的效應(yīng)，另一方面日溫差效應(yīng)較小，溫度和變形較為穩(wěn)定，得到的日特征曲線如圖6所示。

圖6 日特征曲線

經(jīng)過第3步得到的i-k曲線如圖7所示，由此確定曲線的拐點為i′=60。

圖7 i-k曲線

選定第4步中的p=5，并得到U2和溫差T的分布數(shù)據(jù)和其擬合一次項系數(shù)如圖8所示。由此確定撓度變形差和溫差的線性關(guān)系系數(shù)為K=6.17(R2為0.970 6)。

圖8 系數(shù)K擬合圖

按照K=6.17計算得到的溫度效應(yīng)曲線和徐變曲線分別如圖9、圖10所示。從圖9中可以看出，經(jīng)過分離后的溫度效應(yīng)呈現(xiàn)更顯著的周期規(guī)律，最大和最小的溫度效應(yīng)變形差達到134 mm。

圖9 溫度效應(yīng)曲線

從圖10得到北盤江大橋自2017年1月1日至2020年6月29日發(fā)生的相對徐變變形約為47.8 mm。為驗證該結(jié)果的有效性，按照中國鐵路05規(guī)范通過Midas Civil軟件計算北盤江大橋的理論徐變變形如表1所示。

圖10 徐變擬合曲線

表1 理論計算徐變值

依據(jù)表1計算自2017年1月1日至2020年6月29日發(fā)生的相對徐變變形(后者徐變值減去前者徐變值，后者徐變值按表中相鄰月份值線型內(nèi)插得到)約為50.9 mm，與實測徐變47.8 mm相差6%，且實測徐變相對較小，基本滿足工程要求。并且基于該擬合二次曲線，還可推進時間達到對結(jié)構(gòu)徐變的適當(dāng)預(yù)測效果。

4 結(jié)論

滬昆客運專線北盤江特大橋設(shè)計時速快，變形控制要求高。為保障列車行車安全性和舒適性，建立了符合其結(jié)構(gòu)特點的變形觀測系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)的分析得到如下結(jié)論：

1)與人工觀測數(shù)據(jù)對比，本自動化系統(tǒng)的觀測精度較高，有效性滿足要求。

2)橋面線形受溫度變化影響較為敏感。在溫度最低時，不均勻沉降差值大，橋面線形相對不平順。隨著溫度的逐漸上升，沉降差值逐漸減小，橋面線形逐漸處于較平順狀態(tài)。

3)提出了一種大跨度拱橋徐變計算方法，通過確定溫度和變形的影響系數(shù)，采用擬合分析的方法提取實測數(shù)據(jù)中的徐變和溫度效應(yīng)。截至2020年6月29日，該橋的計算相對徐變變形約為47.8 mm，與規(guī)范理論值50.9 mm相差6%，滿足工程要求。