陳光軍，王成銅

(1.浙江省長(zhǎng)興交通投資有限公司 湖州市 313100； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

傳統(tǒng)混合梁橋中的鋼箱梁一般多采用整體鋼箱梁分箱制作，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行連接。運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接連接，不僅工程量大，而且工人在鋼箱內(nèi)部進(jìn)行焊接，操作困難且焊接質(zhì)量不易保證。將單箱多室鋼箱梁變?yōu)槎嘞鋯问壹捶蛛x式鋼箱梁，通過設(shè)置鋼橫隔梁并采用螺栓連接將各分離鋼箱梁連接成整體，混合梁的組合形式轉(zhuǎn)化為單箱多室混凝土箱梁連接多箱單室鋼箱梁，借此大幅度減少鋼箱內(nèi)焊接的工程量，降低施工難度，提供施工效率[1-2]。

目前橋梁動(dòng)力性能研究主要包括車輛移動(dòng)荷載作用下的車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)、疲勞損傷以及地震作用下的橋梁反應(yīng)等。對(duì)于混合梁目前動(dòng)力性能的研究主要集中于抗震性能，而對(duì)于移動(dòng)車輛荷載作用下的車橋耦合動(dòng)力反應(yīng)研究并不是很多。

車橋耦合問題的研究，雖然目前理論有了很大的發(fā)展，但是考慮到鋼筋混凝土或者預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)剛度的變化特性、橋梁結(jié)構(gòu)阻尼的離散性和橋面不平整的隨機(jī)性，需要在理論研究的基礎(chǔ)上借助現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)比理論結(jié)果綜合分析[3-7]。依托金溪大橋工程詳細(xì)闡述新型單箱混凝土-多箱鋼混合梁橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為研究其動(dòng)力性能提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程背景

金溪大橋跨長(zhǎng)湖申線航道(IV級(jí)航道)，橋梁軸線于航道軸線交角為88.2°，橋下最高通航水位為2.86m，通航凈空寬55m×高7m，梁橋總寬38m。采用的是左右分幅設(shè)計(jì)，主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼-混混合梁(45m+80m+45m)。圖1為金溪大橋的立面圖。

圖1 金溪大橋立面圖(單位：cm)

金溪大橋混凝土箱梁為單箱三室斷面，箱梁頂面寬18.75m，挑臂長(zhǎng)為2.5m，底面寬13.75m，具體的截面尺寸為圖2所示。

金溪大橋的主橋鋼箱長(zhǎng)40m，標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁、大橫隔板、小橫隔板的組合形式，如圖3所示。橫向沿橋長(zhǎng)方向每1.5m設(shè)置一道橫隔板，其中大橫隔板和小橫隔板交替設(shè)置，各分離箱橫隔板采用螺栓連接。同時(shí)為了增加鋼箱梁的結(jié)構(gòu)剛度，鋼箱梁內(nèi)部頂、底板處設(shè)置縱向加勁肋。

圖2 混凝土箱梁截面示意圖(單位：cm)

圖3 鋼箱梁截面組合形式

鋼混結(jié)合段與混凝土段進(jìn)行混凝土整體澆筑，再通過預(yù)應(yīng)力筋的張拉結(jié)合在一起，與鋼箱梁段通過焊接連接成整體。

2 攝影測(cè)量

傳統(tǒng)的傳感器如激光傳感器和全站儀只能用于測(cè)量橋梁的相對(duì)位移，無(wú)法對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[8]。全球定位系統(tǒng)(GPS)可對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但具有兩大局限性[9-10]：測(cè)量的精度較低；無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)橋面下面橋墩的位移。故為了能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鋼箱跨中的撓度，采用攝影測(cè)量系統(tǒng)。

攝影測(cè)量系統(tǒng)分為動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)與報(bào)警抓拍系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)，通過采用新型動(dòng)撓度傳感器和各種傳統(tǒng)傳感器的綜合方案設(shè)計(jì)[8-9]。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下三大目標(biāo)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跨中鋼箱的動(dòng)撓度；當(dāng)動(dòng)撓度超限時(shí)，可抓拍路面車輛情況；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超限時(shí)，會(huì)用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理。

動(dòng)撓度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要?jiǎng)訐隙葌鞲衅髋c靶點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，并且靶點(diǎn)設(shè)置的位置也必須在動(dòng)撓度傳感器的紅外掃描范圍之內(nèi)。動(dòng)撓度傳感器其原理為：傳感器中影像傳感器獲取目標(biāo)靶變化后，通過圖像測(cè)量算法即可求出監(jiān)測(cè)目標(biāo)靶位置隨時(shí)間變化參數(shù)，并經(jīng)過分析計(jì)算得到目標(biāo)的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)物體運(yùn)營(yíng)過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位移，具有二維實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度高、范圍大，適合長(zhǎng)期、在線、多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量。

圖4 動(dòng)撓度傳感器原理圖

報(bào)警抓拍系統(tǒng)與動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密切相關(guān)。報(bào)警抓拍系統(tǒng)利用動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值實(shí)時(shí)判斷超限情況，超限發(fā)生后上傳報(bào)警信息，同時(shí)控制專用攝像機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片，并通過微信公眾號(hào)、瀏覽器報(bào)警信息等各種手段上傳報(bào)警信息和現(xiàn)場(chǎng)圖片，供值班員或相關(guān)人員決策。

橋梁安全檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警線路如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)報(bào)警路線圖

3 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與報(bào)警抓拍系統(tǒng)，傳感器具體布置如圖6所示。動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由目標(biāo)靶、基準(zhǔn)靶和動(dòng)撓度傳感器共同組成。沿橋面自北向南，依次在橋墩上安裝基準(zhǔn)靶1個(gè)，跨中橋底安裝目標(biāo)靶4個(gè)，橋墩上安裝動(dòng)撓度傳感器1個(gè)。報(bào)警抓拍系統(tǒng)所需的抓拍攝影頭，安裝至距離跨中靶點(diǎn)順橋向大約30m的電線桿上，另外在電線桿上架設(shè)1個(gè)供電箱。

用于掃描靶點(diǎn)的動(dòng)撓度傳感器固定在橋墩上，引線用黑色的波紋管穿好固定于箱梁的底板上，如圖7所示。

圖6 傳感器布置圖

圖7 動(dòng)撓度傳感器安裝

跨中目標(biāo)靶點(diǎn)借助于橋檢車的配合安裝在鋼箱的兩側(cè)。高精度水準(zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)點(diǎn)也安裝在目標(biāo)靶點(diǎn)的附近位置，如圖8所示。通過對(duì)比高精度水準(zhǔn)儀與動(dòng)撓度傳感器所測(cè)撓度值，從此來(lái)驗(yàn)證動(dòng)撓度傳感器系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 目標(biāo)靶點(diǎn)位置

基準(zhǔn)靶點(diǎn)的位置考慮到動(dòng)撓度傳感器掃描范圍有限，故將基準(zhǔn)靶點(diǎn)安裝到離橋墩中心線4m處的混凝土梁底板下方。基準(zhǔn)靶點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝位置如圖9所示。測(cè)點(diǎn)布置圖如圖10所示。

圖9 基準(zhǔn)靶點(diǎn)位置

圖10 測(cè)點(diǎn)布置圖

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 靜載測(cè)試

靜載測(cè)試的目的：對(duì)比靜載下高精度水準(zhǔn)儀和動(dòng)撓度傳感器測(cè)得的豎向位移，從而驗(yàn)證動(dòng)撓度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

加載方案：金溪大橋橋面的車道，自西向東依次劃分為機(jī)動(dòng)車道1、機(jī)動(dòng)車道2、綠化帶、輔道以及人行道。本次靜力加載實(shí)驗(yàn)，采用中跨加載方案。現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)單位將4輛38t的加載車輛緩慢行駛到中跨位置?？?。靜力加載車輛位置如圖11、圖12所示。

圖11 車輛加載示意圖

圖12 靜載測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

加載過程：在測(cè)試開始前，用高精度水準(zhǔn)儀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移。待加載車輛行駛并?？吭谥锌纾ㄟ^高精度水準(zhǔn)儀讀取靜力荷載作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移。靜力荷載作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移值減去初始的豎向位移值，即在靜力荷載作用下產(chǎn)生的位移。動(dòng)撓度傳感器會(huì)實(shí)時(shí)記錄加載車輛從上橋行駛至中跨—?？恐锌纭锌缧旭傊料聵蛉^程的豎向位移。

4.2 靜載測(cè)試結(jié)果分析

由于靜載測(cè)試的位置更接近目標(biāo)靶點(diǎn)A、B，故選取更具有代表性的靶點(diǎn)A、B進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。靶點(diǎn)A、B的撓度值如圖13、圖14所示。對(duì)比靜載作用下A、B兩點(diǎn)的豎向位移曲線，可發(fā)現(xiàn)A、B兩點(diǎn)的曲線基本一致，這亦可以反映出金溪大橋采用的分離式鋼箱整體協(xié)調(diào)性良好。由于橋梁位于航道上面，附近也未有高聳建筑物，所以平日橋面風(fēng)力較大。同時(shí)由于靜載測(cè)試時(shí)，橋面上仍有少量的車輛停滯以及部分人員的走動(dòng)，故在加載車輛停止的這三分鐘時(shí)間內(nèi)，A、B兩點(diǎn)豎向位移還存在略微的擾動(dòng)，導(dǎo)致略微的誤差。

圖13 A點(diǎn)豎向位移

圖14 B點(diǎn)豎向位移

在靜載作用下，動(dòng)撓度傳感器測(cè)得A點(diǎn)的豎向位移大致保持在17.2mm，B點(diǎn)的豎向位移大致保持在16.8mm。高精度水準(zhǔn)儀測(cè)得A點(diǎn)的豎向位移為17.9mm，B點(diǎn)的豎向位移為17.5mm。將動(dòng)撓度傳感器的數(shù)據(jù)和高精度水準(zhǔn)儀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 動(dòng)撓度傳感器與高精度水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表1中可以看出高精度水準(zhǔn)儀測(cè)得的豎向位移均高于動(dòng)撓度傳感器測(cè)得的豎向位移，經(jīng)分析可能是因?yàn)楦呔人疁?zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)比于動(dòng)撓度傳感器的靶點(diǎn)更靠近鋼箱底部中心。靜載測(cè)試加載車輛的位置是靠近內(nèi)側(cè)護(hù)欄，故理應(yīng)邊箱梁底部的中心的豎向位移最大，隨后向兩側(cè)減小。同時(shí)本次監(jiān)測(cè)所用的動(dòng)撓度傳感器其精度為0.3mm。從表1也可看出，A點(diǎn)的豎向位移大于B點(diǎn)豎向位移，這也符合實(shí)際加載情況。

通過計(jì)算，A、B兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)皆相差4%，誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了動(dòng)撓度傳感器系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 案例分析

以一次1級(jí)報(bào)警信息為例，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)撓度報(bào)警信息如圖15所示，圖中的黃色曲線為實(shí)時(shí)記錄的撓度曲線，兩條紅色曲線分別對(duì)應(yīng)著不同報(bào)警級(jí)別的報(bào)警閾值。當(dāng)車輛行駛通過，鋼箱的撓度超過閾值，抓拍攝像頭將抓拍該時(shí)刻行駛車輛。報(bào)警系統(tǒng)會(huì)用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理，同時(shí)報(bào)警信息會(huì)及時(shí)上傳、保留在智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)之中。

圖15 報(bào)警時(shí)段撓度曲線

6 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于攝影測(cè)量的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并以浙江省長(zhǎng)興縣內(nèi)的金溪大橋?yàn)橐劳?，?duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述，通過靜載測(cè)試驗(yàn)證動(dòng)撓度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施的意義：

(1)為后期研究新型混合梁橋提供數(shù)據(jù)。

(2)為橋梁養(yǎng)護(hù)單位提供實(shí)時(shí)橋梁健康數(shù)據(jù)。

(3)該系統(tǒng)實(shí)施的成本降低，可以適用于眾多的中小橋中，推進(jìn)交通運(yùn)輸信息化建設(shè)。