深圳愛(ài)國(guó)路高架橋應(yīng)急健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

林 航

(福建省智能養(yǎng)護(hù)工程有限公司 福建福州 350000)

0 引言

橋梁是人、車暢行的通道，只有橋梁的健康，方有人、車的安全保障。但橋梁在使用一個(gè)時(shí)段，由于受到建成年份、車輛荷載、材料老化、疲勞效應(yīng)和環(huán)境等多因素影響，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的“亞健康”狀態(tài)。因此，采用科學(xué)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估手段，保障橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性極其重要[1～3]。

對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)及相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，不少專家、學(xué)者都有相關(guān)方面的研究。萬(wàn)宏鵬[4]通過(guò)對(duì)光纖光柵傳感器的分布式布設(shè)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成，設(shè)計(jì)并建立了安龍泉互通立交橋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了在東北嚴(yán)寒季凍地區(qū)對(duì)市政橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。曲俊峰[5]通過(guò)建立有限元模型并結(jié)合實(shí)際橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析得到能夠反映結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)同時(shí)在健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中易于穩(wěn)定測(cè)量參數(shù)的閾值。張啟偉、郎惠芳、李惠，等[6-8]從橋梁工程發(fā)展的角度，探討大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各個(gè)子系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法，以及各子系統(tǒng)的協(xié)同作用。孫濤，等[9]通過(guò)將BIM與傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三維模型可視化；通過(guò)部署于云計(jì)算中心的虛擬服務(wù)器和系統(tǒng)自診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析和預(yù)處理。岳青，等[10]根據(jù)東海大橋的實(shí)際情況，構(gòu)建了基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理體系，提出了預(yù)測(cè)式、評(píng)估式大橋養(yǎng)護(hù)管理策略。周建庭[11]以實(shí)際橋梁為依托，建立基于可靠度理論的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系。研究結(jié)果表明：利用工程結(jié)構(gòu)可靠度理論來(lái)評(píng)價(jià)橋梁安全狀況是可行的。楊小超[12]分別對(duì)于竣工驗(yàn)收的橋梁狀態(tài)評(píng)估方法和長(zhǎng)期服役過(guò)程中的橋梁健康狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行研究。

本文以深圳愛(ài)國(guó)路高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，針?duì)性地建立“應(yīng)急橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”?；谶@套系統(tǒng)，對(duì)深圳愛(ài)國(guó)路高架橋的細(xì)微狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析，即時(shí)掌握橋梁的運(yùn)行狀況，為橋梁管理部門準(zhǔn)確科學(xué)地管養(yǎng)該橋提供參考。

1 工程概況

愛(ài)國(guó)路高架橋，位于深圳市羅湖區(qū)，西北起愛(ài)國(guó)路與布心路位置，東南至沿河北路與黃貝路交匯路段，全長(zhǎng)約1.5km。高架橋分東、西兩幅橋，東幅橋由14聯(lián)橋組成，西幅橋由16聯(lián)橋組成。高架橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，梁高2.0m。橋面寬14.74m，為雙向六車道。該橋是深圳市交通量最繁忙的高架橋之一，如圖1所示。

圖1 深圳愛(ài)國(guó)路高架橋

愛(ài)國(guó)路高架橋受建成年份、車輛荷載、材料老化、疲勞效應(yīng)和環(huán)境等多因素影響，橋梁管養(yǎng)部門和檢測(cè)單位對(duì)該大橋進(jìn)行了多次檢查、特殊檢測(cè)和加固維修處理，但該橋的技術(shù)狀況仍不理想。

2011年檢測(cè)單位發(fā)現(xiàn)，橋梁多處出現(xiàn)東西兩幅相對(duì)豎向錯(cuò)位現(xiàn)象，豎向高差約為6cm～9cm。2012年11月，3#橋處中央分隔帶蓋板跌落；經(jīng)檢測(cè)，愛(ài)國(guó)路高架橋第2#、3#、4#橋均有不同程度的向曲線外側(cè)爬移的現(xiàn)象，其中東幅3#橋爬移最為嚴(yán)重，最大值位移10.0cm；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)東西兩幅2#、3#、4#橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板、底板，均存在不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象。2013年6月，東西兩幅3#橋處中央分隔帶蓋板再次跌落，再次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)東幅3#橋有繼續(xù)向外側(cè)爬移的趨勢(shì)。

鑒于愛(ài)國(guó)路高架橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁移位、開(kāi)裂，以及這些病害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)正常受力的影響，亟需建立一套高效實(shí)用的“應(yīng)急橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、橋梁分析與預(yù)警系統(tǒng)等主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)視頻、圖像及多種表面接觸式傳感器，實(shí)時(shí)采集橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和信號(hào)，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù)和信號(hào)傳回監(jiān)控中心。橋梁分析與預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)三維數(shù)字仿真，反演橋梁的工作狀態(tài)和健康狀況，對(duì)可能存在的結(jié)構(gòu)損傷部位及其損傷程度進(jìn)行智能識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁的安全可靠性評(píng)估。

通過(guò)運(yùn)用最新的BIM技術(shù)、現(xiàn)代地理信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)試與傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號(hào)處理和分析技術(shù)、橋梁空間和結(jié)構(gòu)分析理論、機(jī)器學(xué)習(xí)與模式識(shí)別理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)高精度、傳輸高速度、工作高效率”的特點(diǎn)。系統(tǒng)邏輯拓?fù)鋱D如圖2所示，系統(tǒng)主頁(yè)面如圖3所示。

首先巡回護(hù)士需由嚴(yán)格培訓(xùn)過(guò)的護(hù)師以上人員擔(dān)任，術(shù)前1d到病房認(rèn)真閱讀患者的病歷，同時(shí)與手術(shù)醫(yī)生和責(zé)任護(hù)士溝通，間接了解患者的性格特點(diǎn)及心理需求。根據(jù)不同患者心理特點(diǎn)，制定個(gè)性化的心理護(hù)理方案。對(duì)于一些文化程度高的多用醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)、治療性溝通語(yǔ)言。對(duì)文化程度低者多用淺顯易懂的語(yǔ)言，告知其心理調(diào)節(jié)的重要性。鼓勵(lì)患者家屬多與患者交談，給患者以精神上的支持，減輕患者孤獨(dú)、緊張、焦慮和抑郁等負(fù)面的心理，使其樹(shù)立信心[10]。

圖2 系統(tǒng)邏輯拓?fù)鋱D

圖3 橋梁健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主頁(yè)面

3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

愛(ài)國(guó)路立交橋健康監(jiān)測(cè)，是針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行“有的放矢”的應(yīng)急健康監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：

(1)主梁位移監(jiān)測(cè)：主梁的空間位移，尤其是往曲線外側(cè)的橫橋向位移；

(2)應(yīng)變監(jiān)測(cè)：主梁和橋墩控制截面的應(yīng)變；

(3)裂縫寬度監(jiān)測(cè)：預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板、底板的裂縫寬度；

(4)橋墩沉降監(jiān)測(cè)。

3.2 主梁位移測(cè)點(diǎn)布置

參考橋梁檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的橋墩和主梁病害，考慮到實(shí)際病害“愛(ài)國(guó)路高架橋第2#、3#、4#橋均有不同程度的向曲線外側(cè)爬移的現(xiàn)象，其中東幅3#橋爬移最為嚴(yán)重”，全橋共布置11個(gè)主梁位移測(cè)截面，共計(jì)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置在連續(xù)梁首末端的橋墩支座附近，主梁位移測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 主梁位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

鑒于愛(ài)國(guó)路高架橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于主梁的跨中截面和墩頂截面。針對(duì)主梁整體的應(yīng)力(應(yīng)變)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)主梁的整體受力進(jìn)行分析，確定是否存在應(yīng)變超限的情況、或受力情況與以往監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)突變的狀況。

參考橋梁檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的主梁病害，考慮到實(shí)際病害“除愛(ài)國(guó)路延長(zhǎng)段外，各橋跨腹板均存在豎向開(kāi)裂現(xiàn)象，底板存在橫向開(kāi)裂現(xiàn)象”，根據(jù)橋梁具體病害情況(如墩頂截面病害較輕)，全橋共布置15個(gè)主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)截面選取主梁跨中位置，每個(gè)截面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置在主梁跨中截面底板位置，共計(jì)30個(gè)測(cè)點(diǎn)，主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖5～圖6所示。

圖5 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱橋向布置示意圖

圖6 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫橋向布置示意圖(單位：cm)

3.4 橋墩應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖7 橋墩應(yīng)變測(cè)點(diǎn)豎向布置位置示意圖(單位：cm)

圖8 W34#墩柱應(yīng)變測(cè)點(diǎn)橫橋向位置示意圖

3.5 裂縫寬度測(cè)點(diǎn)布置

參考橋梁檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的“預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板、底板均存在不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象”，考慮到：

(1)主梁：“W10#分聯(lián)墩頂處牛腿部位W10跨、W11跨梁端曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)腹板，E11分聯(lián)墩頂處牛腿部位E11跨曲線外側(cè)腹板”，“E12跨曲線內(nèi)側(cè)腹板距離E12#墩約4m位置出現(xiàn)3條豎向裂縫”。

(2)橋墩：“W34# 、W36-2#、W40-2#墩柱分別新增20條、12條、8條環(huán)向裂縫”。

因此，全橋共選擇4個(gè)主梁和橋墩，選取寬度最大的裂縫進(jìn)行裂縫寬度監(jiān)測(cè)。裂縫寬度測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 裂縫寬度布置示意圖(單位：cm)

3.6 橋墩沉降測(cè)點(diǎn)布置

愛(ài)國(guó)路高架橋下存在大面積的市政工程施工，包括基坑開(kāi)挖、樁基托換等。基礎(chǔ)開(kāi)挖和樁基施工會(huì)造成橋墩沉降，進(jìn)而影響連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)受力。

考慮橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工點(diǎn)分布情況，全橋共布置7個(gè)橋墩沉降測(cè)點(diǎn)，其中4個(gè)位于樁基托換處，1個(gè)位于開(kāi)挖基坑邊緣，另有2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。橋墩沉降布置在承臺(tái)以上25cm處。橋墩沉降測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 橋墩沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

4 結(jié)果分析

愛(ài)國(guó)路立交橋建立的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與橋梁日常巡查和定期檢查結(jié)合，可以為橋梁管養(yǎng)部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的橋梁受力狀態(tài)和病害發(fā)展情況，確保橋梁運(yùn)行安全。

以主梁位移監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，愛(ài)國(guó)路高架橋梁體爬移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，所監(jiān)測(cè)活動(dòng)梁體接合處未發(fā)現(xiàn)明顯相對(duì)位移，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)正常。圖11為西二橋W2墩處主梁相對(duì)位移的變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出該處主梁相對(duì)位移量在允許的閾值范圍之內(nèi)。

根據(jù)2017年3月，北京鐵科工程檢測(cè)中心對(duì)愛(ài)國(guó)路高架橋進(jìn)行的定期檢測(cè)，與2013年相比，西二橋W2墩處主梁未發(fā)現(xiàn)明顯位移。結(jié)果表明，愛(ài)國(guó)路高架橋建立的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為橋梁管理部門準(zhǔn)確科學(xué)地管養(yǎng)該橋提供參考。

圖11 西二橋W2墩處主梁位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)深圳愛(ài)國(guó)路立交橋存在的主梁位移、混凝土裂縫等病害，建立了一套高效實(shí)用的“應(yīng)急橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，愛(ài)國(guó)路高架橋建立的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為橋梁管理部門準(zhǔn)確科學(xué)地管養(yǎng)該橋提供參考。