不中斷交通下裝配式梁橋的撓度監(jiān)測與性能評(píng)估

宋粉麗 于品德 馬赟 李華

摘 要：橋梁結(jié)構(gòu)撓度是反映結(jié)構(gòu)整體受力性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)估具有重要意義。本文以河南省某裝配式箱梁橋?yàn)槔?，在不中斷交通的情況下，對(duì)關(guān)鍵截面的動(dòng)撓度進(jìn)行監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了動(dòng)撓度橫向分布并計(jì)算了沖擊效應(yīng)，同時(shí)與理論狀態(tài)下?lián)隙葦?shù)據(jù)及沖擊效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，探討了不中斷交通下橋梁性能評(píng)估的方法。

關(guān)鍵詞：不中斷交通;梁橋;動(dòng)撓度;監(jiān)測;性能評(píng)估

中圖分類號(hào)：U446.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0106-04

Deflection Monitoring and Performance Evaluation of Assembled Beam Bridges without Interruption of Traffic

SONG Fenli1，2 YU Pinde1，2 MA Yun1，2 LI Hua1，2

（1. Henan Transporation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450015;2. Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： The deflection of bridge structure is one of the key indexes reflecting the overall mechanical performance of the structure， which is of great significance to the performance evaluation of bridge structure. In this paper， taking a fabricated box girder bridge in Henan Province as an example， the dynamic deflection of key sections was monitored without interruption of traffic， the transverse distribution of dynamic deflection was calculated and the impact effect was calculated through the monitoring data， and compared with the deflection data and impact effect under the theoretical state to evaluate the performance of the bridge.

Keywords： uninterrupted traffic;beam bridge;dynamic deflection;monitoring;performance evaluation

橋梁結(jié)構(gòu)撓度是在受力或非均勻溫度變化時(shí)，梁軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移。影響結(jié)構(gòu)撓度的因素主要分為兩類：一是瞬態(tài)變化指標(biāo)，如車輛荷載效應(yīng);二是緩慢變化指標(biāo)，如混凝土的徐變、預(yù)應(yīng)力損傷、構(gòu)件缺損、環(huán)境溫度等。橋梁結(jié)構(gòu)的撓度綜合反映橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能，因此撓度是橋梁評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一。橋梁撓度的監(jiān)測方法很多，可根據(jù)監(jiān)測評(píng)估的需要及現(xiàn)場實(shí)施條件來確定[1-3]。本文采用非接觸式動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測系統(tǒng)，在不中斷交通的情況下，對(duì)某重載交通橋梁進(jìn)行了動(dòng)撓度監(jiān)測[4-6]，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判別了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，利用所測數(shù)據(jù)對(duì)裝配式橋梁沖擊效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

1 撓度監(jiān)測考慮因素

受監(jiān)測目的、監(jiān)測精度要求、儀器設(shè)備監(jiān)測方式和數(shù)據(jù)采集方式等不同的影響[7]，橋梁撓度監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方法較多，實(shí)際撓度監(jiān)測需要考慮的因素如表1所示。

2 裝配式梁橋撓度監(jiān)測

2.1 裝配式梁橋撓度監(jiān)測特點(diǎn)

裝配式混凝土梁橋，如空心板、T梁、預(yù)制箱梁，在車輛荷載下，其撓度有如下特點(diǎn)：裝配式橋梁撓度具有空間變形特點(diǎn)，縱向撓度反映預(yù)制梁本身的力學(xué)性能，橫向撓度反映了橋梁整體受力性能，因此需要在全截面布置監(jiān)測點(diǎn);裝配式梁橋跨徑一般小于50 m，車輛作用下?lián)隙戎敌?，?duì)監(jiān)測的精度要求高;不中斷交通下，車輛通行時(shí)間短，對(duì)監(jiān)測設(shè)備采集頻率要求高;該類橋梁量多面廣，要求監(jiān)測方法簡單方便，易于實(shí)現(xiàn)。因此，裝配式梁橋撓度監(jiān)測宜采用非接觸式監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集[8]。

2.2 不中斷交通下?lián)隙缺O(jiān)測方法

非接觸式動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測系統(tǒng)采用圖像模式識(shí)別技術(shù)與模板匹配跟蹤算法相結(jié)合研制的監(jiān)測設(shè)備，如圖1所示。其基本原理是：以關(guān)鍵截面撓度監(jiān)測點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，由高頻工業(yè)相機(jī)獲取目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)圖像，通過模板匹配獲取目標(biāo)點(diǎn)像素變化，通過尺寸標(biāo)定得出像素大小與實(shí)際尺寸的比例系數(shù)[r]，將像素坐標(biāo)變化量與比例系數(shù)相乘，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際位移[9]。

非接觸式動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測系統(tǒng)由高頻工業(yè)相機(jī)及鏡頭、計(jì)算機(jī)采集分析軟件及相關(guān)輔助設(shè)備集成，操作簡單、攜帶方便，適用于不中斷交通下裝配式橋梁撓度監(jiān)測。運(yùn)營情況下，橋梁撓度監(jiān)測的一般流程為：制定監(jiān)測方案，選取監(jiān)測截面，布置監(jiān)測點(diǎn);確定監(jiān)測參數(shù)，如監(jiān)測時(shí)長、采樣頻率、監(jiān)測周期等;現(xiàn)場監(jiān)測，獲取撓度數(shù)據(jù)，處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取結(jié)構(gòu)的撓度分布;依據(jù)撓度監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，對(duì)橋梁性能進(jìn)行評(píng)估;定期進(jìn)行監(jiān)測評(píng)估，分析橋梁性能指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 動(dòng)撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 撓度峰值與車輛荷載

動(dòng)撓度數(shù)據(jù)反映了一段時(shí)間內(nèi)車輛通行狀況與橋梁撓度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]。如圖2所示，無車輛時(shí)，撓度曲線是一條平直的曲線，當(dāng)車輛通過時(shí)，撓度曲線發(fā)生明顯的突變，出現(xiàn)各種峰值，并且峰值的大小與車輛的質(zhì)量有直接關(guān)系。因此，通過分析撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出車輛的通行狀況。

撓度曲線上每個(gè)峰值表示一次車輛通行，其中峰值的大小[w]與車重有直接關(guān)系，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)[w]的特征，可以反映出車輛荷載的大小，將[w]的特征與橋梁理論計(jì)算值進(jìn)行比較，從而分析是否存在超載的現(xiàn)象。

3.2 車輛沖擊效應(yīng)分析

實(shí)際結(jié)構(gòu)的撓度曲線是結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度，人們可以通過對(duì)比動(dòng)撓度與靜撓度的比值來分析結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)。而沖擊效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的型式、車輛運(yùn)行速度和橋面的平整度等有關(guān)，人們可以通過分析沖擊系數(shù)的變化趨勢(shì)來分析橋梁在車輛荷載作用下的動(dòng)力效應(yīng)[11-12]。

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[13]規(guī)定：鋼橋、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋、圬工拱橋等上部構(gòu)造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺(tái)，應(yīng)計(jì)算汽車的沖擊作用。沖擊系數(shù)[μ]可按下面的方法進(jìn)行計(jì)算：當(dāng)[f<1.5Hz]時(shí)，[μ]=0.05;當(dāng)[1.5Hz≤f≤14Hz]時(shí)，[μ=0.176 71n f-0.015 7];當(dāng)[f<14Hz]時(shí)，[μ]=0.45。式中，[f]為結(jié)構(gòu)基頻（Hz）。

4 工程項(xiàng)目應(yīng)用

4.1 橋梁概況

河南省某重載交通上橋梁，其上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)裝配式預(yù)制箱梁，跨徑組合為5×30 m+6×30 m+4×30 m+4×30 m，橋?qū)?5 m，雙向4車道，橫向5片箱梁。根據(jù)現(xiàn)場條件，以第19跨作為監(jiān)測跨，選取撓度最大截面設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，粘貼監(jiān)測標(biāo)志，全橋共布置5測點(diǎn)，如圖3所示。筆者在2016年12月不同時(shí)段對(duì)該橋進(jìn)行2次撓度監(jiān)測，每次監(jiān)測時(shí)長為30～40 min。

4.2 撓度理論計(jì)算分析

根據(jù)橋梁圖紙，采用Midas/Civil建立監(jiān)測跨計(jì)算模型，如圖4所示，計(jì)算監(jiān)測截面各梁撓度。

橋梁在車輛荷載作用下?lián)隙?，按公?I級(jí)計(jì)算橋梁關(guān)鍵截面撓度，如圖3所示。邊跨跨中截面撓度如表2所示，在正常使用狀態(tài)下，車輛荷載作用下最大撓度為9.1 mm。

4.3 實(shí)測撓度分布狀況

本次監(jiān)測選取2個(gè)時(shí)間段，工況1監(jiān)測時(shí)間為33 min，工況2監(jiān)測時(shí)間為43 min。實(shí)際測試過程中，根據(jù)重車行車軌跡，3#主梁為最不利受力主梁，圖5給出了3#主梁在工況1、工況2下的撓度監(jiān)測時(shí)程曲線及峰值識(shí)別[14-15]。

以識(shí)別出的峰值作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，分析實(shí)際運(yùn)營過程中撓度的分布狀況，如圖6所示。從中可以看出，實(shí)測撓度多數(shù)分布在3.5 mm以下，但監(jiān)測中也出現(xiàn)過撓度超過6 mm的情況，表明橋梁存在較大負(fù)荷的車輛通行狀況。

4.4 沖擊效應(yīng)

根據(jù)識(shí)別出的峰值計(jì)算各行車過程中的沖擊效應(yīng)，并統(tǒng)計(jì)其分布，如圖7所示。與計(jì)算沖擊系數(shù)1.26相比，實(shí)測沖擊效應(yīng)保持在1.0～1.8，橋梁的最大沖擊效應(yīng)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。結(jié)構(gòu)實(shí)測沖擊系數(shù)與理論計(jì)算有較大差別，這主要是橋面鋪裝的平整度、伸縮縫位置的平整度和橋面坑槽等病害對(duì)沖擊效應(yīng)有較大影響，實(shí)測數(shù)據(jù)能夠反映橋面整體平整度情況。

5 結(jié)論

非接觸式動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測系統(tǒng)在不中斷交通情況下可持續(xù)對(duì)重載交通橋梁進(jìn)行動(dòng)撓度監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)估具有重要意義。本研究以河南省某裝配式箱梁橋?yàn)槔?，在不中斷交通的情況下，對(duì)關(guān)鍵截面的動(dòng)撓度進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，橋梁存在較大負(fù)荷的車輛通行狀況;根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)際計(jì)算沖擊效應(yīng)遠(yuǎn)大于理論值，表明橋面整體平整度情況較差。本文通過實(shí)例探討了不中斷交通情況下通過撓度監(jiān)測對(duì)橋梁性能進(jìn)行評(píng)估的方法，該方法具有不影響通行、經(jīng)濟(jì)簡便、技術(shù)可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，其推廣與應(yīng)用對(duì)橋梁檢測和監(jiān)測具有重要意義。

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