張龍龍，鐘山

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

橋梁材料及結(jié)構(gòu)在長期運行過程中，會因氣候環(huán)境、交通荷載等的作用而發(fā)生老化、銹蝕，結(jié)構(gòu)強度和剛度會隨運行時間的延長而降低，既影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性，還會縮短橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。為此，必須對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況進行實時監(jiān)測，并將其結(jié)構(gòu)安全性及運行穩(wěn)定性評估納入橋梁運營日常管理范圍。橋梁健康監(jiān)測指在全面監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對于橋梁遭遇特殊運行環(huán)境、惡劣交通條件以及橋梁運行異常等情況設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警等級，一旦發(fā)生故障預(yù)警，健康評估專家系統(tǒng)便會對橋梁結(jié)構(gòu)損傷進行評估，并給出相應(yīng)的維修養(yǎng)護方案，從而為橋梁結(jié)構(gòu)維護管理及安全運行提供依據(jù)。

1 工程概況

某大橋?qū)儆趪乐鞲删€青銀公路和某市繞城高速重疊區(qū)域的跨江大橋，其主橋按獨塔雙索面扁平鋼箱梁斜拉橋設(shè)計，為倒Y 形混凝土索塔結(jié)構(gòu)，設(shè)計高度198m；橋面左右幅分離，設(shè)計跨徑60m+60m+160m+386m，并為塔墩固結(jié)半漂浮體系。主梁為單箱三室扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)嘴和布索區(qū)在內(nèi)的鋼箱梁寬45.6m，梁高3.8m。全橋98 根斜拉索主要呈空間雙索面扇形形式布置。

該橋梁自2010年建成運營至今，為確保橋梁在服役過程中性能的安全，依據(jù)橋梁養(yǎng)護相關(guān)要求，應(yīng)基于橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)階段運維數(shù)據(jù)，盡快構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并依托大數(shù)據(jù)技術(shù)進行橋梁結(jié)構(gòu)安全性評價，為橋梁結(jié)構(gòu)安全提供可靠保證。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)測指標(biāo)及預(yù)警

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中監(jiān)測指標(biāo)的選擇對于監(jiān)測效果和質(zhì)量至關(guān)重要，大型橋梁通常進行振動監(jiān)測、荷載監(jiān)測、外觀及強度監(jiān)測，并通常選擇靈敏度較高的參數(shù)指標(biāo)，以進行橋梁結(jié)構(gòu)整體服役狀態(tài)、結(jié)構(gòu)損傷、抗力衰減等方面的監(jiān)測，從而進行橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、安全性等的評估和預(yù)警。該特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程主要為橋梁結(jié)構(gòu)實際運行狀況，故基本監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)包括橋梁運行環(huán)境、結(jié)構(gòu)溫度、位移變形、車輛類型、應(yīng)力應(yīng)變、斜拉索索力、結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、疲勞響應(yīng)等方面。

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外先進的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路，該特大橋健康監(jiān)測安全預(yù)警主要設(shè)置紅色和黃色兩個等級。其中，黃色預(yù)警主要起到提醒橋梁養(yǎng)護管理單位對橋梁運行環(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)、荷載情況等加強關(guān)注的作用；紅色預(yù)警則起到提示橋梁養(yǎng)護管理單位應(yīng)密切關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)及荷載，并及時查明預(yù)警原因，采取有效措施予以應(yīng)對，并加強橋梁結(jié)構(gòu)安全評估的作用。橋梁健康監(jiān)測安全預(yù)警的內(nèi)容除應(yīng)包括預(yù)警等級外，還應(yīng)包括預(yù)警監(jiān)測值、預(yù)警傳感器編號及設(shè)置等。

根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T 1037—2016），各類監(jiān)測變量預(yù)警值必須按照以下規(guī)定設(shè)定：

（1）橋梁通行車輛總（軸）重大于設(shè)計行車荷載的1.5 倍時發(fā)出黃色預(yù)警。車輛總（軸）重大于設(shè)計行車荷載的2.0倍時，發(fā)出紅色預(yù)警；

（2）風(fēng)速均值最大值大于設(shè)計風(fēng)速0.8 倍時發(fā)出黃色預(yù)警。風(fēng)速均值最大值大于設(shè)計風(fēng)速時，則發(fā)出紅色預(yù)警；

（3）最高、最低溫度及最大溫差分別超出設(shè)計值時，發(fā)出黃色預(yù)警；

（4）橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于應(yīng)力設(shè)計值0.95 倍時發(fā)出黃色預(yù)警。橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于應(yīng)力設(shè)計值，或在連續(xù)觀測的1 個月內(nèi)黃色預(yù)警次數(shù)超出10 次，則發(fā)出紅色預(yù)警；

（5）位移、變形大于設(shè)計值的0.8 倍時發(fā)出黃色預(yù)警。位移、變形大于設(shè)計值或在持續(xù)觀測的1 個月內(nèi)黃色預(yù)警次數(shù)超出10次，則發(fā)出紅色預(yù)警[1]。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合該特大橋運行實際及健康監(jiān)測目的，在選擇傳感器及監(jiān)測設(shè)備時必須充分考慮精確性、先進性、自動化、耐久性、經(jīng)濟性、可維護性、多冗余度等方面的要求。獲取橋梁運行環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、局部損傷等信息是該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)核心任務(wù)，在綜合評估監(jiān)測信息的基礎(chǔ)上得到橋梁結(jié)構(gòu)及行車兩個層面的安全運行條件，從而為橋梁結(jié)構(gòu)安全高效運行提供技術(shù)支持?；谝陨弦笏⒌臉蛄航】当O(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、傳輸；安全狀態(tài)評估；綜合安全預(yù)警；數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。

2.3 測點布置

運用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測必須通過傳感器系統(tǒng)予以實施，且傳感器性能及測點設(shè)置情況直接決定著健康監(jiān)測過程能否順利展開以及監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確程度。為達到以上監(jiān)測目的，該系統(tǒng)必須同時滿足兩個運行條件：一是依托該橋梁結(jié)構(gòu)特征及系統(tǒng)功能設(shè)置傳感器測點，同時確保系統(tǒng)性能的可靠性及運行的經(jīng)濟性；二是以橋梁結(jié)構(gòu)宏觀量為傳感器測點設(shè)置的目標(biāo)，在建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)時必須引入相配套的人工檢查制度，完善數(shù)據(jù)采集，保證橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及評估結(jié)果的準(zhǔn)確。

將GNSS 傳感器設(shè)置在該特大橋變形敏感位置，以進行橋梁主塔偏位、主梁撓度以及結(jié)構(gòu)對環(huán)境荷載和活載的響應(yīng)狀態(tài)等的動態(tài)監(jiān)測。GPS15-2、GPS15-3及GPS21-1三個GNSS傳感器布置情況詳見圖1。

圖1 GNSS傳感器設(shè)置立面圖

根據(jù)該特大橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況，其56#跨中、3L/4截面、53#跨及54#跨中、主塔截面等受溫度及活載影響較大，均屬于關(guān)鍵截面，故以以上截面作為主梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測截面。扁平鋼箱梁頂?shù)装寰鶠橹髁航孛嬷饕芰?gòu)件，測點應(yīng)設(shè)置在其主梁上下表面，同時，結(jié)合箱梁結(jié)構(gòu)，還應(yīng)將2 個測點分別設(shè)置在左右箱室，將6 個測點設(shè)置在中心箱梁處，將2 個測點分別設(shè)置在左右箱梁附近及中央分隔帶板梁處，并將2個測點設(shè)置在橫隔板上下位置，以進行鋼箱梁扭轉(zhuǎn)彎矩測量。綜上，該特大橋共布設(shè)98個應(yīng)變監(jiān)測點。為便于進行主梁振動情況監(jiān)測，得到主梁結(jié)構(gòu)振動頻率及振型等數(shù)據(jù)，還應(yīng)在關(guān)鍵截面布置振動加速度傳感器。

3 有限元分析

3.1 分析模型

根據(jù)該橋梁成橋狀態(tài)及施工運營狀況，構(gòu)建橋梁整體結(jié)構(gòu)有限元分析模型，具體見圖2。全橋共包括443 個單元，橋墩、主塔及主梁均采用梁單元，斜拉索則采用桁架單元。邊界條件為墩底固結(jié)。

圖2 橋梁整體結(jié)構(gòu)有限元模型

鋼箱梁、索塔及斜拉索等恒荷載均按照斷面實際尺寸選取，橫隔板和錨箱施加集中應(yīng)力，縱隔板和風(fēng)嘴則施加均布力，汽車荷載則根據(jù)相關(guān)規(guī)范從橫縱兩個方向折減[2]。與活載組合的靜風(fēng)荷載為橋面處風(fēng)速25m/s，高度為10m 處基本風(fēng)速設(shè)計值為21.2m/s。橋梁結(jié)構(gòu)整體升降溫幅度為30～50℃，索塔及塔身溫差分別為±10℃和±5℃。

3.2 結(jié)構(gòu)效應(yīng)

主梁撓度在活載作用下的包絡(luò)圖詳見圖3，主梁受到單獨活載作用后其撓度最大值出現(xiàn)在邊跨跨中，取值113mm，撓度最小值則出現(xiàn)在主跨3L/4 位置處，取值-670mm。主塔塔頂向邊跨和主跨偏移的最大值分別為190mm和138mm；主梁上緣應(yīng)力最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為17.8MPa 和32.6MPa，分別出現(xiàn)在50#橋墩墩頂截面及主跨3L/4 跨截面處。受到活載作用后，主梁下緣拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值分別為55MPa 和26.5MPa，分別出現(xiàn)在主跨與共用墩相距58m 截面處及橋塔截面。

圖3 主梁撓度在活載作用下的包絡(luò)圖

3.3 變形分析

通過小波濾波法剝離溫度效應(yīng)和活載效應(yīng)后可以得出活載作用下橋梁主塔塔頂位移響應(yīng)規(guī)律。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)控時域內(nèi)塔頂主跨側(cè)出現(xiàn)兩次預(yù)警，通過分析塔頂位移量溫度效應(yīng)的傅里葉變動趨勢[3]，得出其變化周期基本與溫度變化周期吻合；主塔塔頂結(jié)構(gòu)安全可控且位移恢復(fù)能力較好，但活載均值均出現(xiàn)在夜間，故必須加強夜間重載行車監(jiān)管。主梁撓度在活載作用下隨溫度呈規(guī)律性變動，變動周期約為23h，基本與溫度變化周期吻合。結(jié)合有限元分析結(jié)果，主塔塔頂具備較好的位移恢復(fù)能力，剛度良好，結(jié)構(gòu)安全可控；主梁撓度最大達446mm，未超出允許值。

3.4 應(yīng)變分析

監(jiān)控過程中，結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況分析發(fā)現(xiàn)，該橋梁主梁主跨跨中截面底板與頂板相關(guān)性受活載作用的影響較小，因受到溫度影響，頂板與底板應(yīng)變均表現(xiàn)為頻率0.0451cph 的周期性變化，一個周期約為24h，兩者的相關(guān)系數(shù)取值達78%；在監(jiān)測過程中，頂板共出現(xiàn)三次預(yù)警，且結(jié)構(gòu)應(yīng)變規(guī)律趨于一致，由此可以判斷出橋梁結(jié)構(gòu)基本處于安全可控水平。但仍需加強預(yù)警測點數(shù)據(jù)控制，對于超載超限情況必須嚴加管控，保證結(jié)構(gòu)的安全性。主塔塔底及錨固區(qū)域應(yīng)變均在允許范圍內(nèi)，且應(yīng)變變動呈周期性變化，其變動周期與溫度變動規(guī)律高度吻合，結(jié)構(gòu)安全可控。

3.5 索力及模態(tài)分析

在監(jiān)測過程中，拉索索力監(jiān)測結(jié)果均位于預(yù)警值范圍內(nèi)，且斜拉索索力在活載作用下具備較好的恢復(fù)能力，斜拉索安全系數(shù)足夠，結(jié)構(gòu)基本處于安全可控水平。該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)于2021 年年初建成投運，2021 年夏季7—9 月（溫度最高的三個月）典型測點拉索索力監(jiān)測結(jié)果具體見表1。

表1 典型測點拉索索力值

通過分析橋梁加速度傳感器時域及頻域可以看出，橋梁前三階固有頻率均超出計算頻率，且監(jiān)測期間內(nèi)并未發(fā)生任何改變，結(jié)構(gòu)整體剛度及動力特性均符合設(shè)計要求。

3.6 橋梁健康狀態(tài)綜合評估

結(jié)合所收集到的橋梁運行狀態(tài)監(jiān)測信息，本研究采用成分分析法進行橋梁健康狀態(tài)綜合評估，該方法具有過程簡單、實用性強的優(yōu)勢。根據(jù)待評估橋梁結(jié)構(gòu)特征以及所自動采集到的橋梁結(jié)構(gòu)運行數(shù)據(jù)進行評估項目打分，并自下而上逐層進行橋梁結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)狀況分數(shù)的計算。首先，結(jié)合橋梁橋型、監(jiān)測指標(biāo)等構(gòu)建層次評估模型，再通過成分分析法進行權(quán)重向量構(gòu)建，權(quán)重的確定應(yīng)以橋梁結(jié)構(gòu)重要程度及巡檢發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷為準(zhǔn)靈活調(diào)控。通過構(gòu)建雙因素矩陣所確定出的該橋梁結(jié)構(gòu)層級權(quán)重指標(biāo)具體見表2，通過對各指標(biāo)的評分，可以得出綜合評分，具體見表3。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)層級權(quán)重指標(biāo)

表3 橋梁結(jié)構(gòu)健康程度綜合評估得分

根據(jù)成分分析法相關(guān)原理，若總分不小于80，則評價結(jié)果為優(yōu)秀，若總分∈[70，80），則評價結(jié)果為良好，若總分∈[60，70），則評價結(jié)果為合格，若總分在60分以下，則評價結(jié)果為不合格。結(jié)合以上層次分析法評分結(jié)果，該橋梁結(jié)構(gòu)綜合評分為86.1 分，則可以判斷該橋梁健康狀況優(yōu)異，結(jié)構(gòu)及運行狀況安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

當(dāng)前該特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件整體運行良好，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，橋梁各監(jiān)測點應(yīng)力應(yīng)變、撓度以及塔頂位移等結(jié)構(gòu)響應(yīng)周期均較為合理；因受活載的作用，主跨跨中截面頂板先后出現(xiàn)過3 次預(yù)警、塔頂活載位移先后出現(xiàn)過2 次預(yù)警，其余測點數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求；橋梁關(guān)鍵截面應(yīng)變數(shù)據(jù)存在高度相關(guān)性，截面剛度也處于良好可控狀態(tài)。橋梁在長期運行過程中，結(jié)構(gòu)固有頻率并未出現(xiàn)明顯改變趨勢，且結(jié)構(gòu)應(yīng)變、斜拉索索力、結(jié)構(gòu)模態(tài)等參數(shù)監(jiān)測值均未超出閾值范圍，橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)安全。