基于檢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的運(yùn)維期橋梁伸縮縫評(píng)估體系研究與應(yīng)用

張小丹 丁鵬程 曹威

摘要：本文研究?jī)?nèi)容以橋梁運(yùn)營(yíng)期檢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)研究健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在橋梁技術(shù)狀況評(píng)定、運(yùn)營(yíng)管理、養(yǎng)護(hù)維修中的應(yīng)用，有機(jī)結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)參照現(xiàn)有的公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，試著提出融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和日常養(yǎng)護(hù)內(nèi)容的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定方法。最后以大位移伸縮縫人工外觀檢查與監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)合為例形成了相應(yīng)的評(píng)估體系。

[關(guān)鍵詞] 檢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);運(yùn)維期橋梁;評(píng)估體系;監(jiān)測(cè)指標(biāo);伸縮縫

作為橋梁的重要部件之一，伸縮縫將不同橋段銜接成橋梁整體，通過(guò)避免風(fēng)和溫度等環(huán)境荷載對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的作用，有效地保護(hù)著橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全。橋梁伸縮縫可以滿足橋面因諸如混凝土徐變和收縮、環(huán)境溫度波動(dòng)和交通荷載等因素產(chǎn)生的變形需求。然而，伸縮縫又是橋梁結(jié)構(gòu)中承擔(dān)最大動(dòng)力荷載的附件，它須承受量值不等的各種復(fù)雜動(dòng)力荷載和沖擊。并且，由于其長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境之中，經(jīng)受各種物理、化學(xué)的侵蝕，導(dǎo)致伸縮縫的疲勞和損傷，所以伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)中最易損壞的構(gòu)件之一，也是維修最頻繁的部分。若伸縮縫損壞，就會(huì)引起如跳車(chē)、噪聲和漏水等現(xiàn)象，不僅影響行車(chē)舒適度而且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全不利。據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，橋梁中伸縮縫的平均壽命遠(yuǎn)低于橋梁本身的設(shè)計(jì)壽命，以索承橋梁一般設(shè)計(jì)壽命100年為例，伸縮縫的平均壽命僅為10到15年。根據(jù)前期的調(diào)研與統(tǒng)計(jì)，目前在橋梁建造費(fèi)用中伸縮縫的造價(jià)僅占不到1%，但是在橋梁運(yùn)營(yíng)階段中16%的缺陷發(fā)生在伸縮縫，伸縮縫的相關(guān)維護(hù)費(fèi)用超過(guò)總維護(hù)費(fèi)用的20%，這還不包括由于伸縮縫的損壞導(dǎo)致的交通中斷造成的間接損失。因此有必要研究提出一套基于檢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁伸縮縫評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)橋梁養(yǎng)護(hù)信息的集成于共享，為橋梁的養(yǎng)護(hù)決策提供支撐。

1.運(yùn)維期橋梁伸縮縫現(xiàn)狀

模數(shù)式橋梁伸縮裝置一般由邊梁、中梁、支承橫梁、位移控制系統(tǒng)和密封橡膠等構(gòu)件組成。橫梁為剛度和強(qiáng)度都很大的實(shí)體矩形截面鋼梁;中梁和邊梁為異性截面鋼梁，根據(jù)伸縮量的不同，以80mm為模數(shù)設(shè)置多根中梁;邊梁和中梁以及各個(gè)中梁之間設(shè)有密封防水膠條;中梁、邊梁與橫梁之間設(shè)有功能性彈簧;縫體錨固在橋面板接縫兩側(cè)的混凝土中。模數(shù)式橋梁伸縮裝置因其能適應(yīng)較大的梁體變位、防水密封性能良好、管理養(yǎng)護(hù)容易、維修更換快捷等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁之中。

纜索承重橋梁一般跨度較大且結(jié)構(gòu)柔度大，這對(duì)其使用的大位移伸縮裝置提出了更高的要求。但是由于設(shè)計(jì)、施工和管理維護(hù)的缺陷，使得大跨索承橋梁伸縮裝置病害屢見(jiàn)不鮮。作為世界上主跨跨徑最長(zhǎng)的懸索橋，日本明石海峽大橋于1998年建成通車(chē)，采用梳齒式伸縮裝置，僅三年后大橋連接鉸位置表面涂層出現(xiàn)細(xì)微裂紋，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)和車(chē)輛荷載作用下，連接鉸最大應(yīng)力達(dá)40MPa，計(jì)算疲勞壽命僅有15年。結(jié)合調(diào)研、照片及參考文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)模數(shù)式伸縮裝置常見(jiàn)的病害有沖擊、疲勞等形式，按形成的原因可分為原材料缺陷、設(shè)計(jì)不良、施工不當(dāng)?shù)?，主要表現(xiàn)為：

（1）中梁異型鋼斷裂。形成原因：車(chē)輛荷載強(qiáng)烈沖擊、材料缺陷、橫梁箱體脫空變形。

（2）支承橫梁運(yùn)動(dòng)受限、伸縮縫卡死堵塞或卡死。形成原因：橫梁箱內(nèi)有異物或進(jìn)入混凝土、梁端橫向位移過(guò)大、縫體與橫梁箱碰撞。

（3）滑動(dòng)支承磨損破壞。形成原因：頻繁拉壓條件下疲勞、安裝時(shí)不牢固或松動(dòng)、滑塊材料缺陷等。

（4）伸縮縫漏水造成橋梁水害。形成原因：橡膠條在使用過(guò)程中頻繁張拉導(dǎo)致老化脫落、所用橡膠材料密封性能差等。

（5）錨固區(qū)混凝土開(kāi)裂、破損。形成原因：新舊混凝土間未按要求施工、混凝土品質(zhì)不滿足要求、構(gòu)件焊點(diǎn)太小導(dǎo)致型鋼脫落，發(fā)展成混凝土破壞。

2.橋梁伸縮縫檢監(jiān)測(cè)評(píng)估體系建立

伸縮縫的累計(jì)位移行程是評(píng)估伸縮縫運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)之一。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，伸縮縫制造廠商給出了不同類型伸縮縫滑塊的允許累計(jì)位移梁，對(duì)于PTFE（聚四氟乙烯）材料的為10km，對(duì)于MSMR材料的為50km。當(dāng)運(yùn)營(yíng)階段伸縮縫的累計(jì)位移量超過(guò)廠商給出的允許值時(shí)，滑塊就很容易發(fā)生磨損，導(dǎo)致伸縮縫縱梁與小橫梁直接接觸摩擦，進(jìn)一步加快伸縮縫的損壞速率。為了確保橋梁的安全運(yùn)行，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)于伸縮縫縱向位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析伸縮縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為伸縮縫的剩余壽命預(yù)測(cè)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和及時(shí)更換提供科學(xué)支撐，降低伸縮縫損壞可能性，減少伸縮縫的維修成本。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)為指導(dǎo)今后類似橋梁的設(shè)計(jì)工作提供了幫助，使橋梁易損構(gòu)件的損傷發(fā)展趨勢(shì)推演和剩余使用壽命推演變?yōu)榭赡堋?/p>

對(duì)于大位移伸縮縫來(lái)說(shuō)，綜合考慮橋梁的安全性、適用性和耐久性，將伸縮縫的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)應(yīng)用于原有的伸縮縫狀態(tài)評(píng)估體系中去。正常狀態(tài)下，橋梁伸縮縫位移和溫度之間存在較穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，伸縮縫位移-結(jié)構(gòu)溫度模型則可能會(huì)發(fā)生變化，因此可以結(jié)合健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用伸縮縫位移-結(jié)構(gòu)溫度模型實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮縫狀態(tài)的分析和評(píng)價(jià)。此外，考慮到伸縮縫的累積位移是決定伸縮縫使用壽命的一個(gè)重要因素，因此還可以利用梁端位移數(shù)據(jù)，在通過(guò)噪聲的去除和傅里葉變換。計(jì)算伸縮縫的有效累積位移，預(yù)測(cè)伸縮縫的使用壽命。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)目前長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)期應(yīng)用存在的不足，本文開(kāi)展長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)一體化研究，實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)參照現(xiàn)有的公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，試著提出融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和日常養(yǎng)護(hù)內(nèi)容的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)定方法，最終實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一體化，

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃僑，任遠(yuǎn)，許翔，劉小玲.大跨徑纜索承重橋梁狀態(tài)評(píng)估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，49（09）：1-9.

[2]戎娜.橋梁養(yǎng)護(hù)巡檢與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息的融合[J].交通世界，2018（13）：136-137.

[3]王建強(qiáng). 結(jié)合人工巡檢的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

基金項(xiàng)目：本文系國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目《城市典型交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全關(guān)鍵技術(shù)研究》（2017YFC0806000）研究成果