楚帥

摘要 文章結(jié)合某中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的基本概況，使用Midas Civil專業(yè)建模軟件對該橋梁進行建模分析，并通過該橋一期恒載、二期恒載、車輛荷載及溫度荷載作用下的響應(yīng)情況，進行動靜態(tài)響應(yīng)分析，實現(xiàn)對該橋的健康監(jiān)測設(shè)計和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，評估了拱橋的安全性。

關(guān)鍵詞 健康監(jiān)測；Midas Civil；動靜態(tài)響應(yīng)

中圖分類號 U446文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0039-03

0 引言

近幾年，隨著我國社會經(jīng)濟的大發(fā)展，橋梁作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，其數(shù)量不斷增加。截至2021年底，我國城市和公路橋梁總數(shù)已達105萬座，其中公路橋梁96萬座，城市橋梁9萬座。橋梁在長期使用過程中受到外部荷載及環(huán)境的影響，會逐漸進入了病害暴發(fā)高峰期。美國權(quán)威期刊《事故分析與控制》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明橋梁平均使用壽命僅為30～40年。根據(jù)橋梁這一壽命周期，截至目前，我國有近10萬座橋梁正處于危橋狀態(tài)。

近年來，計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)快速發(fā)展，開始從航空航天領(lǐng)域逐漸向城市基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域拓展，助推了國內(nèi)橋梁健康監(jiān)測的研究進展。從1997建成的香港青馬大橋，到南京長江大橋、二橋等橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，再到近兩年來在城市橋梁群中的應(yīng)用，橋梁健康監(jiān)測正在快速地發(fā)展[1-2]，進一步保障橋梁安全，為橋梁管養(yǎng)提供輔助決策支持[3]。

該文以某市一座中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋為例，利用Midas Civil建模軟件對橋梁結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，結(jié)合橋梁養(yǎng)護過程中的病害及特點，設(shè)計了橋梁監(jiān)測布點方案，實現(xiàn)對橋梁的實時監(jiān)測，并通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，評估了橋梁的安全性能。

1 橋梁概況

該橋位于某市，跨越南淝河。橋梁結(jié)構(gòu)形式為單跨中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋。橋跨布置1×72.0 m，矢高18.0 m。橋梁全長85.9 m。全寬30.2 m。橋面橫向布置：2.6 m（左側(cè)人行道）+4.5 m（左側(cè)輔路）+1.0 m（左側(cè)錨固區(qū)）+14.0 m（中央主路）+1.0 m（右側(cè)錨固區(qū)）+4.5 m（右側(cè)輔路）+2.6 m（右側(cè)人行道）。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為中承式吊桿拱。橫向有2片拱肋，對應(yīng)2片縱梁?？v向布置了16片橫梁。各橫梁間布設(shè)鋼筋混凝土板作為行車道板，其中拱肋間有14片矩形空心板，拱肋外各5片槽型鋼筋混凝土板。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用鋼筋混凝土橋臺，基礎(chǔ)為灌注樁。橋面鋪裝為瀝青混凝土，伸縮縫為毛勒式伸縮縫。人行道鋪設(shè)方磚。橋梁兩側(cè)布置鐵質(zhì)護欄。

2 建模分析

主要采用了商業(yè)通用有限元分析軟件Midas Civil，進行空間內(nèi)力、應(yīng)力分布、空間變形情況以及橋梁模態(tài)分析，計算時不考慮材料的塑性，結(jié)果為彈性結(jié)果；主要分析計算正常使用狀態(tài)的變形和內(nèi)力水平。

2.1 計算模型及參數(shù)

2.1.1 計算參數(shù)選取

該橋資料缺失較多，對于不確定的參數(shù)，建模取值按下述原則確定：

（1）截面：缺少人行道、快車道、慢車道的橋面板厚度，缺少兩片拱之間交叉支撐的截面詳圖及與拱連接處的節(jié)點詳圖，對于以上尺寸，圖紙中有構(gòu)件圖但缺少標注，建模時直接在圖上量測；吊桿截面信息沒有，且在2002年更換過一次，根據(jù)2002年換索時測得的索拉力及伸長量，取鋼材彈模為200 GPa，可計算截面面積，建模時直接采用等面積實腹圓形截面。

（2）材料：缺少拱及橋面預(yù)制板的混凝土強度，考慮到縱梁和橫梁采用C50混凝土，因此拱的混凝土也采用C50；預(yù)制空心板的混凝土采用300#混凝土，建模時選用C30，由于是空心板，且缺少截面，因此板的混凝土容重取一半。

（3）約束條件：在橋梁拱腳處設(shè)置約束，由于圖紙中顯示拱腳處為現(xiàn)澆混凝土墩，因此拱腳處設(shè)置剛性連接；兩端橋面板與道路連接處設(shè)置了伸縮縫，建模時約束了豎直和橫橋向兩個方向的平動，以及縱橋向的扭轉(zhuǎn)自由度，其余自由度均被釋放。

2.1.2 計算荷載選取

（1）一期恒載為橋梁承重結(jié)構(gòu)（包括混凝土拱和橋面系結(jié)構(gòu)）?；炷寥葜厝?5 kN/m3。

（2）二期恒載包括欄桿、橋面鋪裝等，按《荷載規(guī)范》計算取值。

（3）車道荷載選用《公路工程技術(shù)標準》（JTG B01—2014）中的規(guī)定，具體見規(guī)范。

（4）在橋梁的最外側(cè)車道布置超載車輛，車輛荷載的尺寸選用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60—2015）中的標準車輛，將其軸載提高一倍，對應(yīng)總軸載為110 t的超載車輛。

（5）系統(tǒng)基準溫度為10 ℃。①橋梁體系整體升溫34 ℃；②橋梁體系整體降溫?20 ℃；③梁截面溫度梯度：依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60—2015），梁截面溫度梯度以規(guī)范為準。豎向日照正溫差計算的溫度基數(shù)為T1=14 ℃、T2=5.5 ℃。豎向日照反溫差為正溫差乘以?0.5。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 靜力分析結(jié)果

成橋階段，要考慮自重、二期及車道荷載作用下的橋梁變形和應(yīng)力進行分析，具體見圖1、2。

2.2.2 動力分析結(jié)果

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)類型，該文采用子空間迭代法，對該橋動力響應(yīng)進行分析，并計算得到結(jié)構(gòu)自振頻率為0.659 Hz，振型參與質(zhì)量見表1。

2.3 計算分析結(jié)論

綜合分析有限元力學(xué)計算結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）該橋中主梁變形較大的為跨中截面，撓度傳感器可布置在跨中截面、1＼4截面以及3＼4截面。

（2）該橋主梁低階振動響應(yīng)較明顯的為每跨跨中截面以及拱肋跨中截面，主要對拱肋的振動進行監(jiān)測。

（3）該橋在自重和二期荷載作用下跨中截面正彎矩最大，車道荷載作用下最大正彎矩也在跨中截面，因此，應(yīng)變測點主要布置在跨中截面。

（4）吊桿作為橋梁主要受力構(gòu)件，需要針對該橋吊桿進行監(jiān)測和分析，主要對長吊桿進行監(jiān)測；另外，拱橋短桿效應(yīng)也比較明顯，因此也需要對短桿進行監(jiān)測。

（5）溫度梯度荷載作用下引起的橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也比較明顯，因此主梁溫度的監(jiān)測也是很有必要的。

（6）整體升溫和降溫作用下，橋梁的自由伸縮比較明顯，因此需要對橋梁伸縮縫的伸縮狀況進行監(jiān)測。

3 健康監(jiān)測設(shè)計分析

3.1 健康監(jiān)測設(shè)計

該文通過對近年來橋梁發(fā)生的事故及所出現(xiàn)的問題進行分析，得出橋梁主要的風(fēng)險為短桿效應(yīng)、橋臺水平平移、開裂、拱肋變形、吊桿銹蝕斷絲、橫縱梁裂縫和拱肋開裂等。其中一個比較明顯的病害就是短桿效應(yīng)。主要原因是處于拱肋與系桿交界處的橋梁短吊桿受到了較為明顯的拱肋溫度和受力的變形，導(dǎo)致橋面受到附加拉力，因此，橋梁的短吊桿相比于長吊桿來說，所受到的剪切作用更為明顯。另外一個比較明顯的病害是吊桿銹蝕斷絲，這主要是由于長期的疲勞荷載及環(huán)境影響。此外，拱肋變形和開裂對于拱橋來說也是較為明顯病害。

通過對橋梁病害進行分析，結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點以及所處的環(huán)境，綜合分析拱橋存在的風(fēng)險以及病害，對該橋進行在線監(jiān)測與結(jié)構(gòu)安全評估時，要選取部分關(guān)鍵指標進行分析。重點監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）主梁以及拱頂?shù)呢Q向變形。

（2）主梁、縱梁及橫梁截面的應(yīng)變（主跨跨中、邊跨）、拱肋的應(yīng)變（拱頂和拱腳）。

（3）主梁及拱頂?shù)募铀俣软憫?yīng)。

（4）溫度。

（5）吊桿索力。

通過建立橋梁安全運行監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實時感知、分析和預(yù)警，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運行。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 吊桿力分析結(jié)果

吊桿作為橋梁結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，其安全性會影響橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全，因此，對其監(jiān)測進行分析尤其重要。該文對該橋?qū)ΨQ布置的6根吊桿中1個月的數(shù)據(jù)進行分析，通過對比分析可發(fā)現(xiàn)，這6根吊桿變化相對穩(wěn)定，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢相對一致，結(jié)果表明該橋吊桿處于安全運行狀態(tài)。

3.2.2 撓度分析結(jié)果

橋梁撓度變化主要受到外荷載的影響比較明顯，通過撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)可分析橋梁結(jié)構(gòu)整體線性狀態(tài)，因此，其變化可直接反應(yīng)橋梁整體變形及安全狀態(tài)。該文選擇8個撓度監(jiān)測點位1個月的數(shù)據(jù)進行分析。通過分析可發(fā)現(xiàn)，近期撓度變化相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常狀態(tài)，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢相對一致，結(jié)果表明，橋梁在正常使用情況下整體線性較好，處于安全狀態(tài)。

綜上所述，通過對吊桿力及撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該橋近期處于安全狀態(tài)，可繼續(xù)使用。

4 結(jié)語

該文通過中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的有限元計算和結(jié)構(gòu)計算分析，結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點以及所處的環(huán)境，綜合分析了拱橋存在的風(fēng)險以及病害，進行了健康監(jiān)測設(shè)計方案，通過對橋梁吊桿力及撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評估，得出目前該橋處于安全運行狀態(tài)的結(jié)論。

參考文獻

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[3]陳艾榮， 潘玥， 王達磊， 等. 大數(shù)據(jù)時代的橋梁維護與安全[J]. 上海公路， 2014（1）： 17-23.