中小跨混凝土梁橋和大跨徑橋梁健康監(jiān)測差異初探

吳海軍，陳泓瑋，屈浩然

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶市 400074；2.重慶市軌道交通集團有限公司)

據(jù)不完全統(tǒng)計，在中國公路橋梁中，中小橋的占比達95%以上，在城市道路中中小橋占比更多。中小跨橋梁由于數(shù)量眾多，其健康狀況是影響橋梁管養(yǎng)安全及交通順暢的關鍵問題。長期以來，中小跨混凝土梁橋等一般橋梁存在受重視程度較低、檢查養(yǎng)護管理工作力度相對較弱和病害隱患發(fā)現(xiàn)及處治不及時等問題。例如，2011年7月15日錢塘江三橋引橋，由于未及時發(fā)現(xiàn)空心板鉸接縫損傷垮塌，造成了無法挽回的損失。陳宇哲等對72起運營階段橋梁事故調(diào)查統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)運營階段事故主要集中在中小跨橋梁中。然而針對運營期橋梁開展健康監(jiān)測是掌握其健康和安全狀況的手段之一。

目前，國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測主要集中于大跨徑橋梁領域，通過梳理相關研究現(xiàn)狀可知，常規(guī)大跨徑橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建方法和預警指標直接應用于中小跨橋梁存在以下問題：① 大跨徑橋梁和中小跨橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)成本差別很大；② 大跨徑橋梁和中小跨橋梁在受力特點及運營期活載作用影響規(guī)律方面存在明顯差別；③ 現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測標準和規(guī)范是相關部委和協(xié)會針對大跨徑橋梁的重要性和結(jié)構(gòu)特點編寫的，對于中小跨橋梁并不能完全適用。故探討中小跨橋梁的監(jiān)測和安全評估與大跨徑橋梁的差異非常必要。

該文通過分析中小跨混凝土梁橋和大跨徑混凝土橋梁在活載效應占比、活載對健康監(jiān)測參數(shù)影響及結(jié)構(gòu)影響線分布規(guī)律等方面的差異，討論中小跨混凝土梁橋的監(jiān)測指標、數(shù)據(jù)采集方法和預警指標閾值的選取思路，為建立中小跨混凝土梁橋的監(jiān)測系統(tǒng)提供建議。

1 作用總響應構(gòu)成差異分析

橋梁健康監(jiān)測是通過對橋梁運營期間的作用響應，特別是活載作用產(chǎn)生的變形、應力、振動等參數(shù)進行監(jiān)測，通過分析其變化量值及規(guī)律進行橋梁健康狀況的診斷和評估。因此，認識橋梁的作用響應特點和規(guī)律對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的合理構(gòu)建具有重要意義。

1.1 大跨徑橋梁總響應構(gòu)成

為研究大跨徑橋梁恒活載響應的組成規(guī)律，該節(jié)選取5座連續(xù)剛構(gòu)橋或連續(xù)梁橋，根據(jù)設計圖紙建立有限元模型。設活載響應比例用η1表示，恒載響應組成用η2=1-η1表示，定義其計算表達式如下：

(1)

式中：MQ1為汽車荷載響應標準值；MG為恒載響應標準值。此處定義荷載標準值組合為組合1，此時γ1和γ2分別為組合1中恒載效應和汽車活載對應的系數(shù)，取1.0。

計算5座實橋最大負彎矩截面(墩頂截面)總響應組成及恒活載比，結(jié)果如表1所示。

表1 大跨徑橋梁恒活載比例

1.2 中小跨混凝土梁橋總響應構(gòu)成

中小跨混凝土梁式橋主要以靜定結(jié)構(gòu)為主，其中簡支形式主梁占很大比例。簡支梁橋的結(jié)構(gòu)響應主要由恒載、汽車活載構(gòu)成，計算活載效應內(nèi)力應考慮汽車沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)按照文獻[6，7]規(guī)定計算：

(2)

(3)

式中：Ic為截面抗彎慣矩；E為彈性模量；mc為結(jié)構(gòu)跨中單位長度質(zhì)量；f為頻率(Hz)；μ為沖擊系數(shù)。

選取2008交通部橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖橋面寬度為11.25 m，跨徑分別為20、25、30、35和40 m的T梁，其跨中橫斷面構(gòu)造見圖1～5，空心板梁橋的通用版圖此處不示出。其沖擊系數(shù)計算結(jié)果見表2。

圖1 20 m跨徑、11.25 m寬T梁跨中斷面圖(單位：mm)

該節(jié)計算上述跨徑的T梁和空心板梁(10、13、16及20 m)響應組成及恒活載比。通過橫向分布系數(shù)計算中梁荷載，旨在與1.1節(jié)中大跨徑橋梁的恒活載比例進行對比分析。依據(jù)文獻[7]選擇荷載組合中的標準值組合、頻遇值組合和準永久值組合，依次命名為組合1、2和3，并將對應的系數(shù)取值列于表3。利用式(1)分別計算3個組合下的活載占比，繪于圖6、7。

圖2 25 m跨徑、11.25 m寬T梁跨中斷面圖(單位：mm)

圖3 30 m跨徑、11.25 m寬T梁跨中斷面圖(單位：mm)

圖4 35 m跨徑、11.25 m寬T梁跨中斷面圖(單位：mm)

1.3 恒活載比例分析

分別對具有代表性的大跨徑混凝土橋梁和通用圖中的混凝土簡支T梁(空心板)橋的恒活載比例進行分析，得到如下結(jié)論：

圖5 40 m跨徑、11.25 m寬T梁跨中斷面圖(單位：mm)

表2 橋?qū)?1.25、12.75 m的簡支T梁汽車活載沖擊系數(shù)

表3 不同組合下系數(shù)取值

圖6 11.25 m寬T梁橋中梁不同跨徑恒活載比例

圖7 11.25 m寬空心板梁橋中梁不同跨徑恒活載比例

(1)從跨徑角度分析，橋梁結(jié)構(gòu)的恒活載比例大體呈現(xiàn)隨跨徑增大，活載效應占比減小的趨勢。

(2)大跨徑橋梁在標準組合下活載占比一般低于10%，而規(guī)范圖中的10 m空心板梁恒活載比例可達49.44%。

(3)當實際通行的活載出現(xiàn)一定比例的超載時，實際活載占比會顯著增大。

2 超重載荷的影響差異

基于前文的結(jié)構(gòu)響應組成及恒活載比例關系，超載可能對中小跨橋非常不利。梁玉坤研究了超載車輛在疲勞損傷度方面對簡支梁橋的影響，得到在跨徑25 m的工況下，車重增大2.2倍時，損傷度增大到18.9倍，可見超重車輛荷載對中小跨徑梁橋的局部效應影響很大。同時，此差異也可從結(jié)構(gòu)的影響線角度剖析。

2.1 兩種體系的影響線差異

大跨徑連續(xù)體系橋梁以(88.1+146+88.1)m三跨連續(xù)雙肢薄壁剛構(gòu)橋為代表，其截面為單箱單室，材料選用C50混凝土。利用有限元軟件Midas/Civil建立該連續(xù)剛構(gòu)橋平面桿系模型，其中左薄壁墩高22.5 m，右薄壁墩高17 m，壁厚1.8 m。通過軟件自帶的影響線求解，提取左墩右薄壁截面和跨中截面沿縱橋向彎矩影響線，結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 主跨146 m連續(xù)剛構(gòu)墩頂截面彎矩影響線(單位：m)

圖9 主跨146 m連續(xù)剛構(gòu)跨中截面彎矩影響線(單位：m)

中小跨混凝土梁橋以跨徑為20 m，橋?qū)挒?2 m的簡支T梁橋為代表，利用機動法求得簡支梁跨中截面(關心截面)的彎矩影響線如圖10所示。

從圖8～10可得：屬于靜定體系的簡支梁彎矩影響線單側(cè)分布，有別于屬于超靜定體系的連續(xù)剛構(gòu)，可見連續(xù)剛構(gòu)較之簡支梁對重載更有“包容性”；連續(xù)剛構(gòu)的跨中彎矩影響線相對墩頂截面彎矩影響線分布更集中于單側(cè)，與靜定體系分布形式接近。

圖10 20 m長12 m寬簡支梁橋截面彎矩影響線

2.2 超重載荷對兩種體系的影響分析

分別采用55 t的標準車和110、220 t的超重車，沿縱橋向按最不利情況布置，計算可得單輛標準車或超重車作用下連續(xù)剛構(gòu)墩頂、跨中截面以及簡支梁跨中截面的重載彎矩占比(圖11)。針對中小跨梁橋，重載車輛沿橋面具有鮮明的分布規(guī)律，使局部響應集中于某片梁，故可認為橫向分配系數(shù)m≥0.5。

圖11 大跨徑橋梁與中小跨混凝土梁橋不同車重下車輛荷載最大占比對比

中小跨橋和大跨徑橋梁對超重載荷的響應不同，可得到以下結(jié)論：

(1)對于同一超重車輛來說，中小跨梁橋和大跨徑橋梁存在明顯差異，在健康監(jiān)測中應予以充分區(qū)別，在健康監(jiān)測中排除中小跨橋梁的“假安全”狀態(tài)。

(2)中小跨簡支梁橋的內(nèi)力影響線是同號的，車輪荷載是疊加的，而大跨徑連續(xù)體系橋梁由于結(jié)構(gòu)超靜定，在多車輛的作用下，可能出現(xiàn)關心截面內(nèi)力抵消現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)有利。

(3)中小跨混凝土梁橋往往是靜定結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)即破壞，應避免其在超重載荷下，出現(xiàn)承載力明顯不足的意外破壞。

3 監(jiān)測系統(tǒng)與方法選取差異分析

現(xiàn)有的監(jiān)測設備能夠采集到的響應組成可用下式表示：

rz=rd+rt+rv+rs

(5)

式中：rz、rd、rt、rv、rs分別為總響應值、恒載響應值、溫度響應值、車輛荷載響應值、隨機荷載響應值。

前文內(nèi)容相互印證可得到一個核心結(jié)論：中小跨混凝土梁橋?qū)τ谄嚮钶d或偶然超載必須重視。這就對中小橋的健康監(jiān)測方法提出了要求。常規(guī)的健康監(jiān)測方法可分為兩種：基于恒載狀態(tài)變化和著重考慮活載效應的監(jiān)測方法。

3.1 基于恒載狀態(tài)變化的監(jiān)測方法分析

基于恒載狀態(tài)變化的監(jiān)測分析方法，以恒載狀態(tài)為監(jiān)控指標，關注長期存在的恒載量值變化。其中恒載狀態(tài)參數(shù)比較法，比較恒載結(jié)構(gòu)響應和基準狀態(tài)響應，分析兩者的參數(shù)差異，據(jù)此判斷監(jiān)測位置的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的性能演變情況。例如：武漢陽邏長江公路大橋選用恒載狀態(tài)參數(shù)比較法，以0.1 Hz的測點頻率長期監(jiān)測了該橋的線形。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，基于恒載狀態(tài)變化的監(jiān)測方法應注意以下問題：

(1)獲取運營期間無活載及復雜溫度影響的恒載條件下監(jiān)測參數(shù)是關鍵問題。

(2)同時恒載、活載量值及比例的大小影響該方法應用的有效性，有些結(jié)構(gòu)即使存在開裂等損傷，但在活載卸除后、恒載作用下結(jié)構(gòu)仍能夠處于良好狀態(tài)。

(3)此方法對監(jiān)測設備安裝時間有所區(qū)分。對于施工階段即預先安裝的監(jiān)測系統(tǒng)，基準狀態(tài)信息包含了恒載的直接影響，初始監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對量值較大；成橋后安裝監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁，其基準狀態(tài)信息主要是“沒有不均勻溫度及活載影響的初始監(jiān)測數(shù)據(jù)”，以此為基準比較分析。

3.2 考慮活載響應的監(jiān)測方法分析

考慮活載響應的監(jiān)測方法往往通過比較活載條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設計合理狀態(tài)之間參數(shù)的變化或者偏差來評價結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)。溫度場、風場等荷載的實時監(jiān)測已被廣泛應用于大跨徑橋梁的健康監(jiān)測。包絡控制是檢驗承載能力是否包含實際效應的方法，不涉及主觀權(quán)重假設，較為客觀。王波等采用活載效應統(tǒng)計最值包絡法，通過比較結(jié)構(gòu)活載效應最大值與理論閾值，計算結(jié)構(gòu)受力富余系數(shù)，據(jù)此判斷結(jié)構(gòu)強度和剛度變化情況。鋼結(jié)構(gòu)橋梁健康監(jiān)測中，亦有利用監(jiān)測數(shù)據(jù)計算承載能力利用率來反映構(gòu)件承載能力的富余程度。在中小跨徑橋梁領域，動應變監(jiān)測和動應變相關系數(shù)ρij已被用于判別裝配式橋梁鉸縫間的聯(lián)系性。

基于活載響應可以有不同的監(jiān)測和評價方法，但是其整體的特點是鮮明的：

(1)能否獲取活載對結(jié)構(gòu)的完整影響，特別是不漏掉較大的活載響應是重要的。

(2)采樣頻率、數(shù)據(jù)的完整性及預警閾值之間密切相關，數(shù)據(jù)完整性不同，采取的預警閾值應該有所差異，不能使用一種標準。

3.3 中小跨混凝土梁橋和大跨徑橋梁監(jiān)測系統(tǒng)選取差異分析

中小跨混凝土梁橋和大跨徑橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)選取應考慮前文差異分析內(nèi)容。由于中小跨梁橋和大跨徑橋梁在恒活載比例及超重載荷影響兩個方面存在差異，故兩者的健康監(jiān)測預警方法也應予以甄別，同時在監(jiān)測系統(tǒng)的選取上也應分開考慮，具體如下：

(1)從結(jié)構(gòu)響應上分析，中小跨梁橋具備活載響應值占總響應值的比例遠大于大跨徑橋梁的特點，同時超重車輛對于中小跨梁橋的效應顯著。原則上，中小跨橋梁應著重對活荷載的監(jiān)測，不能套用恒載狀態(tài)參數(shù)比較法。

(2)從監(jiān)測效力上分析，由于大跨徑橋梁車輛荷載受到監(jiān)測的時程很長，采用低頻率監(jiān)測設備仍能得到數(shù)量可觀的測點數(shù)據(jù)，對于后期分離和提取活載信號起到一定的保障作用；對于中小跨梁橋，跨度小，車輛駛過時，低頻率監(jiān)測設備難以保證關心截面的活載響應的峰值得以監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)對中小跨橋梁的健康監(jiān)測沒有實際意義。

一般大跨徑橋梁和中小跨混凝土梁橋監(jiān)測系統(tǒng)選取差異見表4。

表4 一般大跨徑橋梁和中小跨梁橋監(jiān)測系統(tǒng)選取差異

4 基于汽車活載效應混凝土梁橋健康監(jiān)測參數(shù)分析

據(jù)安全監(jiān)測規(guī)范可知，橋梁的監(jiān)測內(nèi)容包括荷載與環(huán)境、結(jié)構(gòu)整體響應和局部響應。而混凝土梁橋應側(cè)重于結(jié)構(gòu)響應的監(jiān)測，該節(jié)針對主梁撓度和截面應力這兩類參數(shù)分析。選擇第2節(jié)中的大跨度梁橋和簡支T梁橋的汽車荷載下的撓度和應力，對比分析中小跨混凝土梁橋和大跨徑橋梁的主要監(jiān)測參數(shù)差異。

4.1 主梁變形

選取橋?qū)?1.25 m，跨徑20、30和40 m的簡支T梁，建立單梁模型并考慮其最不利狀況。計算活載變形并考慮汽車沖擊系數(shù)(表2)。

分別計算出JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》和JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》的20、30、40 m簡支梁在汽車活載不同工況作用下的豎向變形，取活載響應的準永久值(0.4ql)、頻遇值(0.7ql)、標準值(1.0ql)以及沖擊效應值(1+μ)。20 m T梁變形計算結(jié)果列于表5，同時將20、30和40 m的活載變形標準值繪于圖12。從2.1節(jié)中建立的連續(xù)剛構(gòu)模型中提取汽車荷載作用下大跨徑橋梁的主跨跨中豎向變形，并將結(jié)果列于表6。大跨徑橋梁和中小跨混凝土梁橋跨中撓度s以及撓跨比s/l計算結(jié)果對比如表7所示。

表5 兩種規(guī)范不同活載系數(shù)下20 m T梁的豎向變形

表6 某實際連續(xù)剛構(gòu)橋汽車活載豎向變形

表7 大跨徑橋梁和中小跨梁橋活載撓度對比

圖12 汽車活載作用下不同跨徑簡支T梁豎向位移

由表5～7、圖12可知：

(1)汽車活載作用下，中小跨混凝土橋的跨中撓曲小于大跨徑橋梁，兩者處于同一數(shù)量級，且其撓跨比相近，符合結(jié)構(gòu)變形計算理論中外載和結(jié)構(gòu)尺度共同控制變形量值的實際情況。

(2)中小跨梁橋的跨徑較小，撓度量值小，在保證精度的時候難以保證其經(jīng)濟性。

4.2 截面應力

變形屬于結(jié)構(gòu)整體響應，應力、應變屬于結(jié)構(gòu)局部響應。大跨徑混凝土梁橋截面大，其局部響應可能代表性欠佳；然而中小跨混凝土梁橋具有截面小、跨徑小且活載占比大的特點，重車經(jīng)過時，局部響應顯著，故其活載截面應力表現(xiàn)與大跨徑橋梁截然不同。依據(jù)15規(guī)范，提取4.1節(jié)中模型上下緣應力數(shù)據(jù)，將20 m簡支T梁數(shù)據(jù)列于表8，同時將20、30及40 m梁橋下緣拉應力數(shù)據(jù)繪制于圖13。

從表8可見：汽車活載往往會引起中小跨徑混凝土梁橋的關心截面例如L/8、L/4和L/2截面的應力量值發(fā)生明顯變化，且變化幅度很大。而通過計算發(fā)現(xiàn)：

表8 15規(guī)范下20 m簡支T梁橋汽車活載應力

圖13 汽車活載作用下不同跨徑簡支T梁橋下緣應力

對于同一載面，大跨徑橋梁的活載響應量值變化很小，當跨徑達到160 m時，量值在2 MPa左右。對比可以發(fā)現(xiàn)，對中小跨梁橋的健康監(jiān)測，應力監(jiān)測必須配備高頻率的監(jiān)測設備，避免汽車活載使結(jié)構(gòu)響應的數(shù)據(jù)丟失，導致結(jié)構(gòu)損傷未能及時發(fā)現(xiàn)而釀成事故。這個結(jié)論與前文的結(jié)論可以相互印證。

5 結(jié)論

(1)中小跨混凝土梁橋的活載所占比例遠高于大跨徑橋梁，故健康監(jiān)測中不應忽略結(jié)構(gòu)活載響應。

(2)基于過濾活載效應后的長期恒載效應變化實施健康監(jiān)測的方法不適宜于中小跨混凝土梁橋，但對恒載占比極高的大跨徑橋梁可選用此法。

(3)中小跨混凝土梁橋的活載占比高，加之影響線范圍小、量值大，故局部超重車輛荷載對結(jié)構(gòu)的影響顯著；而大跨徑橋梁活載占比小，加上影響線長、量值小，再疊加上反號影響線范圍其他活載的影響，局部重車的影響相對較小。

(4)中小跨混凝土梁橋的健康監(jiān)測宜選用高頻率的監(jiān)測設備和建立基于活載效應的評價系統(tǒng)。

(5)中小跨混凝土梁橋在活載效應下，應力量值變化劇烈，局部應力監(jiān)測具有顯著價值；在經(jīng)濟限制下，應力指標的意義優(yōu)于變形指標。