徐衍亮

(南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210014)

0 引言

橋梁既是土木工程領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是公路體系中關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)工程。截至2021 年年末，我國(guó)公路橋梁96.11 萬(wàn)座、共7380.21 萬(wàn)米，比上年末分別增加4.84 萬(wàn)座、751.66 萬(wàn)米。我國(guó)橋梁建設(shè)規(guī)?？焖侔l(fā)展的同時(shí)，已建成橋梁的服役年限也不斷增長(zhǎng)，服役年限不斷增加意味著橋梁會(huì)由于材料性能退化等因素，導(dǎo)致出現(xiàn)各類(lèi)病害、安全性風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于病害較為嚴(yán)重的橋梁，有針對(duì)性地進(jìn)行加固改造對(duì)其持續(xù)健康運(yùn)營(yíng)起著極為重要的作用。雖然國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)橋梁加固進(jìn)行了大量研究，但主要是關(guān)于技術(shù)的研究[1-4]。

橋梁加固效果受到施工條件、修復(fù)材料等因素影響。相關(guān)學(xué)者基于此做了大量的工作。王建民等[5]采用模糊層次分析法對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)工程實(shí)例證明了模糊層次分析法在橋梁綜合評(píng)價(jià)中的可行性。黃超等[6]針對(duì)廈門(mén)后溪長(zhǎng)途汽車(chē)站平移工程實(shí)例，利用模糊層次分析和模糊綜合評(píng)判法建立建筑平移工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)平移施工中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和規(guī)避。

總的來(lái)說(shuō)，目前加固改造后的橋梁往往僅通過(guò)外觀觀測(cè)或簡(jiǎn)單儀器來(lái)定性判斷加固改造質(zhì)量，缺乏一種有效的后評(píng)價(jià)方法對(duì)加固改造橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期有效的效果評(píng)估，因此有必要采取一套科學(xué)客觀的評(píng)估方法對(duì)加固改造橋梁進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。近年來(lái)，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為保障在役橋梁安全的重要手段在全國(guó)被大量推廣，而輕量化監(jiān)測(cè)的推出在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步解決了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中小橋梁的應(yīng)用成為可能[7-8]。因此，本文提出了一種基于輕量化監(jiān)測(cè)的橋梁加固改造后評(píng)估方法，能夠有效地檢驗(yàn)橋梁加固改造后的技術(shù)指標(biāo)，填補(bǔ)了當(dāng)前加固改造橋梁在定性評(píng)價(jià)方面的空白。

1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)于加固改造橋梁，此次研究重點(diǎn)關(guān)注其強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的交通情況。因此，本文提出了通過(guò)橋梁的撓度變化、應(yīng)力應(yīng)變以及交通流量來(lái)實(shí)現(xiàn)加固改造橋梁的定量評(píng)估。加固后評(píng)估的監(jiān)測(cè)方法主要包括橫向剛度監(jiān)測(cè)、交通流量監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

1.1 橫向剛度監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)目的：當(dāng)出現(xiàn)接縫縱向開(kāi)裂、橫隔板開(kāi)裂及頂、底板縱向裂縫等病害時(shí)，橋梁很可能存在橫向聯(lián)系減弱、橫向剛度降低、梁體的受力不均等問(wèn)題，需要利用粘貼橫向鋼板或橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板等方式進(jìn)行處治。通過(guò)橫向剛度監(jiān)測(cè)，可以為分析加固改造前后橋梁的橫向連接性能提供依據(jù)，保證橋梁橫向受力的均勻分布。

監(jiān)測(cè)設(shè)備：光電撓度儀+光電標(biāo)靶（同截面布置）。

監(jiān)測(cè)方法：在梁端固定點(diǎn)安裝光電撓度儀并調(diào)整角度，使之能對(duì)準(zhǔn)跨中梁底橫向布置的多個(gè)光電靶標(biāo)。通過(guò)橫向?qū)Ρ炔煌恢锰幍呢Q向變形大小，分析梁段的橫向連接穩(wěn)定性及協(xié)同受力變形情況。

1.2 交通流量監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)目的：車(chē)輛荷載為橋梁運(yùn)營(yíng)期的主要荷載，且超載車(chē)輛是造成橋梁破壞和影響橋梁壽命的主要因素，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際所受荷載進(jìn)行分析,可使橋梁健康監(jiān)測(cè)更加直接、可靠。監(jiān)測(cè)橋梁交通荷載，進(jìn)行車(chē)流、車(chē)道、車(chē)型識(shí)別，統(tǒng)計(jì)分析荷載規(guī)律和交通流特征，為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比較分析提供數(shù)據(jù)支撐。

監(jiān)測(cè)設(shè)備：車(chē)流量攝像頭。

監(jiān)測(cè)方法：在橋面安裝車(chē)流量攝像頭。動(dòng)撓度傳感器實(shí)時(shí)獲取動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)撓度超限情況時(shí)，利用車(chē)流量攝像頭抓拍橋梁通行超重車(chē)輛，并通過(guò)車(chē)流量大小和主梁撓度的相關(guān)分析，為及時(shí)、直觀評(píng)價(jià)橋梁的狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，為評(píng)價(jià)橋梁的適用性和耐久性提供依據(jù)。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)目的：病害情況嚴(yán)重的上部結(jié)構(gòu)需要通過(guò)更換新梁的措施對(duì)橋梁進(jìn)行加固改造以確保安全使用。在新梁澆筑前可預(yù)埋嵌入式鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)梁底縱向主筋應(yīng)力，了解梁體內(nèi)部受力情況并與外部混凝土的表貼式應(yīng)變計(jì)數(shù)值比較，多維度評(píng)估梁體受力情況。

監(jiān)測(cè)設(shè)備：應(yīng)變計(jì)+鋼筋計(jì)。

監(jiān)測(cè)方法：在新?lián)Q梁底內(nèi)部縱向鋼筋上安裝埋入式鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)內(nèi)部鋼筋應(yīng)力大??；在對(duì)應(yīng)位置的外部混凝土表面安裝表貼式應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)外部混凝土應(yīng)力。對(duì)兩類(lèi)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，以得到梁體的內(nèi)外應(yīng)力分布情況和變化趨勢(shì)。

2 采集傳輸方式

在標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，橋址現(xiàn)場(chǎng)處需要布置體積龐大的專(zhuān)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)輸和安裝都極為不便。此外，為滿足各種監(jiān)測(cè)傳感器的需求，工控機(jī)還需搭載各種擴(kuò)展接口，如RS232、RS485等，集成度低，板卡插件太多，組織復(fù)雜，易出現(xiàn)問(wèn)題。以往，這種工控機(jī)為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了有效的采集傳輸方式，但隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)小型化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)凸顯出成本太高、系統(tǒng)可適應(yīng)性差等諸多缺陷，難以適應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、惡劣的環(huán)境。

應(yīng)用基于4G-DTU 的無(wú)線遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)，無(wú)線傳輸無(wú)需設(shè)立采集站，工程成本低、施工便利。根據(jù)目前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，輕型化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期低頻、短期高頻采樣傳感器，如應(yīng)變計(jì)、光電撓度儀、加速度傳感器等使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。輕型化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先對(duì)DTU 進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置要連接的中心IP 和端口及其他必要性的設(shè)置，設(shè)置好后傳感器或采集設(shè)備通過(guò)RS485 接口和DTU 相連，DTU 上電之后根據(jù)事先設(shè)置好的中心IP和端口進(jìn)行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數(shù)據(jù)。選用能聯(lián)網(wǎng)的工作站（接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行外網(wǎng)訪問(wèn)），如運(yùn)行中心軟件的工作站在局域網(wǎng)里面，就要在局域網(wǎng)路由器做端口映射到本地工作站，等這些條件具備之后在本機(jī)運(yùn)行一個(gè)中心DEMO或組態(tài)軟件，開(kāi)放一個(gè)端口，運(yùn)行相關(guān)軟件等待DTU的連接。DTU 連接中心后，就可按要求進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，中心收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行解密、過(guò)濾、篩選，最終獲得所需要的數(shù)據(jù)。通道建立成功后，DTU 串口實(shí)時(shí)監(jiān)控采集器的數(shù)據(jù)，只要串口有數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)，DTU將全透明進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。如果數(shù)據(jù)量小或需要定時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的，DTU 可選數(shù)據(jù)激活、電話呼叫或短信激活等模式，或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用也可考慮修改軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。這樣就可靈活應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)傳輸需求來(lái)采取不同的傳輸方式，以減少及節(jié)約不必要的傳輸費(fèi)用。

3 應(yīng)用案例

3.1 橋梁概況

南京市G205 龍池立交橋（左幅橋）位于G205 寧連公路，橋梁建成于1995 年，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-20 級(jí)，掛-100。管養(yǎng)單位為南京市公路事業(yè)發(fā)展中心。

該橋?yàn)閱畏鶚?，橋梁全長(zhǎng)490.0m，橋面全寬11.75m。上部結(jié)構(gòu)跨徑布置由北往南為（6×21）m+（21+34+36+21）m+（5×21）m+21m+（3×21）m+（3×21）m，共22 跨。其中，跨越六合大道的為（21+34+36+21）m 的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱連續(xù)梁，其余橋跨為21m 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T 梁，橫斷面由7 片梁組成，T梁和T 梁間連接形式為鉸接。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

龍池立交橋在定期檢測(cè)時(shí)被發(fā)現(xiàn)部分T 梁存在嚴(yán)重開(kāi)裂，危及結(jié)構(gòu)安全，于是進(jìn)行了針對(duì)性的加固搶修。加固改造方案的主要內(nèi)容包括更換開(kāi)裂嚴(yán)重的T 梁，重做T 梁拼接縫以及T 梁粘貼鋼板加固。因此，在龍池立交健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)更換的T 梁構(gòu)件及周?chē)憾魏蜋M隔板進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)了解梁段應(yīng)力分布，進(jìn)行新舊構(gòu)件受力狀況對(duì)比，并跟蹤應(yīng)力變化趨勢(shì)。此外，還密切關(guān)注了加固改造梁段的幾何線形及其變化，以及匝道區(qū)域交通流量、荷載情況，研究撓度變化與交通荷載的關(guān)系，為橋梁工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供資料。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體布點(diǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 龍池立交橋傳感器總體布置圖

3.3 分析評(píng)價(jià)

本文從應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì)和主梁撓度的對(duì)比兩方面對(duì)加固后的龍池立交橋做出了分析評(píng)價(jià)，具體結(jié)論如下。

3.3.1 主梁撓度

龍池立交橋的主梁撓度變化原因除了車(chē)輛荷載之外，還受溫度荷載影響。9：00～17：00 主梁跨中撓度逐漸減小，17：00～次日9：00 主梁跨中撓度逐漸增加，同時(shí)熱脹冷縮也會(huì)導(dǎo)致梁端發(fā)生縱向位移、支座出現(xiàn)剪切變形。因此，建議平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)伸縮縫和支座的檢測(cè)。

從圖2 可以看出每天5:00～23:00 主梁跨中撓度出現(xiàn)明顯波動(dòng)，因此可以判斷出該橋車(chē)輛的通行時(shí)間主要分布在每天的5:00～23:00，而23:00～次日5:00車(chē)輛通行較少。

老梁跨中撓度大于更換的新梁，即更換的新梁相比老梁的整體剛度有一定程度的提升（見(jiàn)圖2）。

圖2 龍池立交橋跨中撓度對(duì)比圖

同跨兩片新更換的梁跨中撓度變化趨勢(shì)基本相同，相同截面的各新?lián)QT 梁的剛度基本保持一致。

3.3.2 應(yīng)力應(yīng)變

新?lián)QT 梁腹板跨中位置處內(nèi)外部應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，內(nèi)部鋼筋應(yīng)力數(shù)值顯著大于外部混凝土應(yīng)力。

新?lián)Q兩片T 梁支點(diǎn)位置處腹板內(nèi)鋼筋應(yīng)力相比澆筑前初始應(yīng)力增長(zhǎng)較大，應(yīng)力變化基本一致，靜應(yīng)力波動(dòng)不超過(guò)5MPa。

同一跨跨中截面上各片T 梁的腹板外表面混凝土應(yīng)力變化趨勢(shì)保持一致，靜應(yīng)力波動(dòng)不超過(guò)2MPa（見(jiàn)圖3）。

圖3 龍池立交橋應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于輕量化監(jiān)測(cè)的橋梁加固改造后評(píng)估方法，通過(guò)橫向剛度監(jiān)測(cè)、交通變形監(jiān)測(cè)及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了加固改造橋梁的有效定性評(píng)估，并在龍池立交橋上進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)龍池立交橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)加固效果的量化分析，取得了一定成果。

對(duì)于未來(lái)的進(jìn)一步研究，可以在加固前后持續(xù)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值，識(shí)別結(jié)構(gòu)變化特征，并據(jù)此對(duì)監(jiān)測(cè)方法和位置進(jìn)行敏感性分析，從而優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，提升數(shù)據(jù)分析效用。長(zhǎng)期來(lái)看，在加固改造完成后進(jìn)行性能驗(yàn)證，既能反饋加固設(shè)計(jì)，形成良性循環(huán)，也能指導(dǎo)今后加固方案設(shè)計(jì)，提升加固改造前期設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。