大跨度橋梁建立監(jiān)測體系的研究

趙紀(jì)平

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132200）

大跨度橋梁在長期運(yùn)營過程中，受到混凝土的收縮徐變、拉索鋼絲的松弛、車輛荷載、外界天氣溫度(季節(jié)溫度和局部溫度)變化等各種內(nèi)外因的影響下，橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)處于不停的變化中，橋梁的強(qiáng)度和剛度會隨時間而有所下降，橋梁的線形和內(nèi)力狀態(tài)會發(fā)生一定的變化。大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系敏感性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)一些較小的變化都有可能導(dǎo)致受力情況發(fā)生較大的改變，甚至?xí)绊憳蛄旱陌踩\(yùn)營和正常使用壽命。尤其是混凝土橋梁在開通運(yùn)營初期，混凝土收縮徐變尚未全面完成，在運(yùn)營初期的三年乃至五年內(nèi)，混凝土收縮徐變現(xiàn)象明顯，橋梁的線形和內(nèi)力狀態(tài)和成橋狀態(tài)相差很大，再加上近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的成就以及新材料新工藝的開發(fā)推動了大跨度橋梁的發(fā)展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性和正常使用功能的日益關(guān)注，為了及時了解大跨度混凝土橋梁在運(yùn)營期內(nèi)是否處于正常使用狀態(tài)，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全和正常功能的實(shí)現(xiàn)，必須對運(yùn)營期大跨度橋梁進(jìn)行全面的健康監(jiān)測，設(shè)置橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測與監(jiān)控，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，完善的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)及時準(zhǔn)確的反饋橋梁的狀況是：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)性能，包括各種荷載下的內(nèi)力(應(yīng)力)、變形、固有頻率、模態(tài)、混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。

（2）橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如振動控制元件：減震器)的工作狀態(tài)。

（3）大橋所處環(huán)境條件等。

橋梁檢測工作是進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測和評估管理的基礎(chǔ)。橋梁檢測技術(shù)分為局部檢測和整體檢測兩大類。局部檢測以各部分的局部狀態(tài)為檢測內(nèi)容，通過對結(jié)構(gòu)的局部部位進(jìn)行集中檢測，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)缺損部位的精確定位、檢查，甚至是定量分析，主要依賴經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y以及成熟的無損檢測技術(shù)；而后者則試圖對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息的有效采集以及系統(tǒng)的處理來建立對整個結(jié)構(gòu)狀況的了解，其中包括結(jié)構(gòu)目前的剛度、質(zhì)量分布情況、結(jié)構(gòu)的動力特性等等。對橋梁振動模態(tài)、撓度、斜拉橋拉索索力等進(jìn)行測量分析是整體性能檢測的主要手段。兩種檢測方法相輔相成。對結(jié)構(gòu)整體安全狀態(tài)的監(jiān)測可用于指導(dǎo)對局部缺損損傷的識別和定位，從而提高檢測工作的效率，對結(jié)構(gòu)的局部檢測是對整體檢測必不可少的補(bǔ)充。最近發(fā)展起來的包含多項(xiàng)檢測內(nèi)容、能對橋梁狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，并集成了遠(yuǎn)程通信與控制的檢測系統(tǒng)稱為安全監(jiān)測或健康監(jiān)測系統(tǒng)，它對橋梁的運(yùn)營狀態(tài)的分析顯然能起更積極的作用。

結(jié)構(gòu)的局部缺損檢測技術(shù)主要有目檢法、壓痕法、回彈法、染色法、超聲脈沖法、回彈一超聲綜合法、振動彈性系數(shù)與對數(shù)衰減率法、紅外線法、射線法、光線傳感法、同位素法、電阻率法、自然電位法、泄漏測定法、磁粒子法、磁場擾動法、模式識別法等等。這些檢測手段可以對橋梁的外觀以及某些物理及力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測。檢測的結(jié)果通常也能在一定程度上反映該部位當(dāng)前的缺損狀況，但是卻難以掌握橋梁整體的健康狀況，尤其是難以對橋梁的安全儲備以及退化的機(jī)理作出系統(tǒng)的評估。

橋梁整體檢測得到線形、索力、自振特性等數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算分析，可初步確定橋梁結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)局部缺陷的位置及嚴(yán)重程度，克服人工檢測的低效性。而且由于大型橋梁結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對于某些人工檢測難以達(dá)到的部位的缺陷，需要通過計(jì)算分析得到解決。

到目前為止，國內(nèi)外建成的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用于懸索橋和斜拉橋，經(jīng)過長時間的檢測分析，人們發(fā)現(xiàn)營運(yùn)多年后斜拉橋的許多性能參數(shù)都將偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，其原因有以下幾種：

（1）橋梁因某種需要后期荷載增加而導(dǎo)致索力和主梁線形的變化。

（2）鋼拉索松弛的影響。

（3）混凝土收縮徐變的影響。收縮徐變是時間效應(yīng)的函數(shù)，在一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，徐變變形一直在增長。據(jù)國內(nèi)某座斜拉橋的一些記錄表明，在施工時存在著15 天節(jié)段安裝的時間差，后期索力比前期增長了3%左右。對于營運(yùn)多年的斜拉橋徐變的影響將更為重要。

（4）年溫差和局部溫差的影響。對斜拉橋這種多次超靜定結(jié)構(gòu)，年溫差的影響是顯著的；梁頂面和底面的溫差、箱梁體內(nèi)的溫差。索與梁溫差、索塔單側(cè)日照等局部溫差，其影響復(fù)雜。

由上可知，運(yùn)營期斜拉橋受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的，通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算分析才一能了解橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)。此外，橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題。橋梁健康監(jiān)測應(yīng)用前景和發(fā)展空間是十分廣大的。

現(xiàn)代混凝土斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和施工的難度都較大，橋梁的受力也很復(fù)雜。橋梁在運(yùn)營期間，混凝土的收縮徐變則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部件內(nèi)力的重分配，使橋梁的受力更趨復(fù)雜。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全以及為橋梁的健康監(jiān)測評估提供可靠的理論分析結(jié)果，本文以某公路大橋通航孔500m 斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，重點(diǎn)分析和研究混凝土收縮徐對運(yùn)營期大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋的影響。并與長期的橋梁健康監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，證于我國橋涵規(guī)范的收縮徐變計(jì)算模式的正確性，可以推廣這種計(jì)算模式在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 該橋簡介

此公路大橋位于某長江中游河段，是連接207 國道的特大型公路斜拉橋，全長4177.6 米，由9 個橋段組成。其中通航孔橋?yàn)橐蛔p塔雙索面漂浮體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為200m+500m+200m。設(shè)計(jì)荷載：汽—超20，掛—120：橋面總寬為27.0m，行車道凈寬21.50m，雙向四車道，不設(shè)人行道。

梁：基本斷面形式是開口的雙主肋板式截面(即“Π”形斷面)；梁高2.4m，梁頂寬26.5m，梁底寬27.0m，主肋寬1.8m，頂板厚0.32m，高跨比為1：208.3，寬跨比為1：18.51 主梁材料采用60號高強(qiáng)混凝土。

索塔采用H 形索塔。

斜拉索主塔兩側(cè)各布31 對索，此外還有兩對0號索，全橋共布置126 對斜拉索。斜拉索采用PES7 熱擠聚乙烯拉索PESM7 冷鑄墩頭錨錨固體系。拉索最小間距為4m，標(biāo)準(zhǔn)間距為8m，塔下第一對斜拉索與直索間距為11.5m。

2 計(jì)算理論值與橋梁健康監(jiān)測實(shí)測值的對比分析

通過對大橋進(jìn)行了長期的健康監(jiān)測工作，對大橋的應(yīng)力(應(yīng)變)、位移和索力等狀態(tài)變量進(jìn)行長期的定期觀測，獲得了許多寶貴的數(shù)據(jù)。大跨度混凝土斜拉橋的收縮徐變變形分析是該類橋進(jìn)行運(yùn)營期健康監(jiān)測與狀態(tài)評估等工作必須考慮的重要因素，其收縮徐變計(jì)算中的計(jì)算模型和收縮徐變參數(shù)取值是橋梁結(jié)構(gòu)分析理論中研究的重點(diǎn)之一。本文利用此大橋的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對大跨度混凝土斜拉橋的收縮徐變變形計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型與收縮徐變參數(shù)進(jìn)行了實(shí)橋的驗(yàn)證與對比分析。

3 斜拉橋健康監(jiān)測中靜力變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理方法

對該橋的健康監(jiān)測內(nèi)容包括標(biāo)高、位移、塔偏、索力、塔梁應(yīng)變、主梁裂縫等多方面的檢測，由于混凝土收縮徐變對主梁位形的影響顯著，本文重點(diǎn)介紹靜力變形監(jiān)測中的主梁撓度的監(jiān)測方法。

該橋主梁標(biāo)高(撓度)的測量采用高精度的水準(zhǔn)儀測量，并用高精度全站儀(TC2003)復(fù)測。該橋共設(shè)34 個觀測點(diǎn)。主梁標(biāo)高測量的臨時水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在主塔的永久測點(diǎn)上。

為了了解橋梁在最不利情況下的運(yùn)營情況，橋梁健康檢測較多的時候是在大氣溫度最高和最低的時候進(jìn)行，而橋梁設(shè)計(jì)結(jié)果一般是由均勻恒定的溫度場(20℃)得到，所以將橋梁健康監(jiān)測結(jié)果和設(shè)計(jì)狀態(tài)對比時，必須對橋梁健康監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行溫度修正。在測量主梁標(biāo)高時，必須要密切注意外界溫度變化對測量結(jié)果的影響，同時測量結(jié)構(gòu)的溫度場，及時修正有關(guān)數(shù)據(jù)。

橋梁工程中計(jì)算溫度效應(yīng)時，一般把溫度場轉(zhuǎn)化為單元的軸向應(yīng)變ε0和曲率X，以它們作為溫度參數(shù)，以非結(jié)點(diǎn)荷載形式代入程序中去計(jì)算溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

通過對橋梁健康監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證基于我國橋涵規(guī)范的收縮徐變計(jì)算模式的正確性，得出結(jié)論如下：

（1）利用計(jì)算法建立某公路大橋北通航孔500m 斜拉橋計(jì)算模型，考慮了施工中各種復(fù)雜的因素對橋梁結(jié)構(gòu)受力和位形的影響，實(shí)現(xiàn)了對橋梁實(shí)際成橋狀況的有效模擬，建立了準(zhǔn)確的運(yùn)營期混凝土斜拉橋收縮徐變效應(yīng)分析的模型，并按照橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中的收縮徐變數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到運(yùn)營期混凝土斜拉橋收縮徐變影響的理論值。

（2）將該橋的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)與按照橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了規(guī)范中收縮徐變的數(shù)學(xué)模型可以用于實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)尤其是大跨度混凝土斜拉橋的計(jì)算分析中。