重慶中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)及實(shí)踐探索

文/重慶市公路局 王慶珍

重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋

重慶作為內(nèi)陸西南、長(zhǎng)江上游地區(qū)的唯一直轄市，由于橋梁數(shù)量眾多、技術(shù)水平高及橋梁結(jié)構(gòu)型式多樣化，被稱為中國(guó)“橋都”。其中，重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋曾保持了跨徑最大的公路鋼筋混凝土拱橋，重慶長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋曾保持了跨徑最大的連續(xù)剛構(gòu)橋等世界紀(jì)錄。重慶市普通公路橋梁約有九千多座，其中中小橋梁占絕大多數(shù)，主要結(jié)構(gòu)為各類型的梁橋和拱橋。

在役中小跨橋梁在荷載長(zhǎng)期作用、環(huán)境侵蝕、材料老化等因素的共同作用下，將不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和承載能力衰減。如何保證數(shù)量龐大的中小跨梁橋運(yùn)行安全，是橋梁管養(yǎng)部門面臨的重要難題。通過安裝橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)橋梁病害發(fā)生和發(fā)展情況，及時(shí)了解橋梁的安全狀態(tài)，獲知橋梁的結(jié)構(gòu)損傷情況，以便積極采取措施，更好地保障橋梁的安全運(yùn)行。

近年來(lái)，為彌補(bǔ)橋梁傳統(tǒng)檢查方法的不足，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)在中小跨混凝土梁橋中的應(yīng)用越來(lái)越多。但是，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁監(jiān)測(cè)的科學(xué)研究、技術(shù)規(guī)范和工程實(shí)踐主要集中在特大跨徑橋梁領(lǐng)域，對(duì)中小跨徑橋梁安全與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)還比較少。

中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)體系的特點(diǎn)

由于結(jié)構(gòu)重要性及橋梁規(guī)模等原因，中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)有別于大橋，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)追求“高、大、全”，而應(yīng)遵循“因地而異、因橋而異、經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠”的原則。不同地理位置的橋梁因橋址處環(huán)境不同，需監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)不同；不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容也應(yīng)有針對(duì)性。在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到投資額度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案開展成本、效率分析，最優(yōu)化地選擇監(jiān)測(cè)的硬件與系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠的健康（安全）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

更重要的是應(yīng)結(jié)合中小跨橋梁實(shí)際病害特點(diǎn)，針對(duì)主要安全隱患進(jìn)行針對(duì)性地監(jiān)測(cè)，不一定進(jìn)行全面參數(shù)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特點(diǎn)，中小橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相應(yīng)配套系統(tǒng)，即主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括橋梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、橋梁撓度監(jiān)測(cè)、橋梁溫度監(jiān)測(cè)、橋梁裂縫監(jiān)測(cè)。

表1 重慶某公路常見中小橋的恒活載比例

表2 活載作用下的中小橋梁跨中截面撓度、應(yīng)變值

中小橋梁恒活載比關(guān)系及對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的影響

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象，是橋面通行的活載及其作用效應(yīng)，并據(jù)此判斷橋梁的健康狀態(tài)，中小跨橋梁與大跨徑橋梁在這方面有顯著差異。本文選取了重慶某公路上較有代表性的多座中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行恒活載比例研究，其主梁截面形式為空心板、T梁，基本涵蓋了重慶地區(qū)現(xiàn)有公路最常見的中小跨徑橋梁橋型。

基于有限元計(jì)算模型，提取各樣本橋梁跨中位置的恒、活載彎矩值，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)荷載組合情況，分別計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)作用組合下（各作用組合系數(shù)均取1.0）活載效應(yīng)占恒、活載總效應(yīng)的比例，記為1。計(jì)算樣本橋梁的活載占比結(jié)果如表1所示。

如表1所示，該公路上常見的中小跨橋梁活載效應(yīng)占比很高，常見跨徑下的活載效應(yīng)占比約40%至50%，活載占比隨跨徑的增大有逐步減小的明顯趨勢(shì)。而大跨徑橋梁由于自重占總荷載的比例較大，往往達(dá)80%至90%以上，活載僅占總效應(yīng)的10%左右。相比之下，中小跨橋梁活載占總荷載效應(yīng)的比例遠(yuǎn)大于大跨度橋梁。因此，中小跨橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，活載效應(yīng)將占有非常重要的位置，這一點(diǎn)與大跨徑橋梁明顯不同。對(duì)該類橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行安全狀態(tài)評(píng)估應(yīng)充分考慮活載響應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

如表2所示，樣本橋梁分析結(jié)果顯示，由活載效應(yīng)引起的中小跨橋梁下緣拉應(yīng)變變化的絕對(duì)量和相對(duì)值均非常大，遠(yuǎn)大于一般的大跨徑橋梁；撓度的量值變化也較大。

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，采用采樣頻率高的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及配套傳感器，可以保證實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，能捕捉到活載引起的各類應(yīng)變、撓度效應(yīng)，有利于進(jìn)行橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)判。因此，對(duì)中小梁橋應(yīng)變（應(yīng)力）、撓度監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的意義較大。

圖1 重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋

圖2 春天門大橋立面照片

圖3 春天門大橋伸縮縫間隙

圖4 羅家壩橋立面照片

中小跨橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)實(shí)例與分析

春天門橋

春天門橋位于重慶市巴南區(qū)縣道235線雙清路290米處，該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長(zhǎng)380米，橋面全寬12米，橫向布置為0.5米（欄桿）+11米（行車道）+0.5米（欄桿）；全橋跨徑組合為9×40.0米。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橫橋向布置5片；下部結(jié)構(gòu)為漿砌塊石重力式橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，柱式橋墩，樁基礎(chǔ)；全橋共設(shè)置3道伸縮縫。

由于在橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)橋墩、支座、伸縮縫存在傾斜、位移偏大的問題，春天門橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)車輛通行期間的橋墩位移、伸縮縫變化等。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2017年8月份安裝完畢投入使用，至11月下旬后，4條伸縮縫寬度不斷報(bào)警，如圖3所示，其報(bào)警級(jí)別不斷提升，由黃色、橙色，上升到局部紅色。橋梁橫向變形也有所發(fā)展，監(jiān)測(cè)顯示第一、二聯(lián)伸縮縫處上部結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向位移，最大橫向變形達(dá)到7.2厘米。經(jīng)過檢測(cè)單位現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，發(fā)現(xiàn)橋梁各支座普遍存在滑移病害，個(gè)別支座損壞，滑移量超標(biāo)；部分墩柱傾斜范圍超標(biāo)。該橋現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)的情況與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，根據(jù)病害實(shí)際情況，該橋已確認(rèn)屬于五類危橋，并組織進(jìn)行封閉加固。該橋針對(duì)性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有力地支持了橋梁的管養(yǎng)工作，避免了通車情況下異常事故的發(fā)生。

表3 羅家壩橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

圖5 羅家壩橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置立面圖

圖6 羅家壩橋跨中截面應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)布置

圖7 羅家壩橋跨中截面撓度傳感器測(cè)點(diǎn)布置

圖8 羅家壩橋ND12-1傳感器由活載引起的撓度效應(yīng)（采樣頻率1Hz，時(shí)長(zhǎng)12h）

圖9 羅家壩橋ND12-1傳感器由活載引起的撓度效應(yīng)（采樣頻率1H z，時(shí)長(zhǎng)11min）

圖10 結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)局部放大示意

羅家壩橋

重慶市沙坪壩區(qū)羅家壩橋?yàn)閱慰?0米簡(jiǎn)支T梁橋，其結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如表3及圖5所示；應(yīng)變、撓度傳感器布置斷面圖，如圖6、圖7所示；結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)采集、典型數(shù)據(jù)，如下圖8、圖9所示。

由圖8可見半天內(nèi)活載引起的較大變形值約10毫米，該量值對(duì)于該橋結(jié)構(gòu)不可忽視，需進(jìn)一步關(guān)注。

由圖9、圖10可見，4片主梁變形的差異，其橫向受力的區(qū)別，綠、紫、紅、藍(lán)分別代表1#-4#T梁，其變形響應(yīng)規(guī)律與T梁橫向分布規(guī)律一致。

如圖9、圖10所示，基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從分離后的活載效應(yīng)得出橋面通行車輛引起的變形情況，據(jù)此可以了解橋面荷載的近似大小及其是否超限。查看原始數(shù)據(jù)可知，每次局部突變變形出現(xiàn)的時(shí)間基本都在3秒至5秒之間，與車輛以每小時(shí)30公里至50公里速度通過羅家壩橋的時(shí)間相符。期間活載引起的應(yīng)變超過50ue，應(yīng)力約2兆帕，量值較大，說(shuō)明動(dòng)態(tài)采集能夠有效掌握活載引起的拉應(yīng)力，對(duì)于評(píng)價(jià)橋梁通行活載及其健康狀況有較大作用。

中小橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有針對(duì)性、適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，其中對(duì)應(yīng)變（應(yīng)力）、撓度監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性較大；在活載響應(yīng)比例上明顯大于大跨徑橋梁，常見中小跨范圍其活載比例在50%左右，且隨跨徑的增大而減小。針對(duì)中小橋梁，建議使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果完整性較好，能有效掌握活載效應(yīng)的范圍及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)及運(yùn)營(yíng)管理具有積極意義。