基于實(shí)時監(jiān)測和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的板梁結(jié)構(gòu)綜合檢測方法

曹新建，吳清偉，李 尚，屠偉新

（1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計研究有限公司，浙江 杭州310012；2.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江浙交檢測技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310015；4.上海數(shù)久信息科技有限公司，上海 200070）

1 概述

鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板因其自重輕，結(jié)構(gòu)性能好，施工方便，可大批量工廠化集中預(yù)制等諸多有利因素，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用于我國公路及城市道路的中小橋梁，成為我國中小橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展以及橋梁的日益老化等因素，在役橋梁的安全運(yùn)營面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。荷載試驗(yàn)是當(dāng)前常用的橋梁承載能力檢測方法。它通過試驗(yàn)荷載檢驗(yàn)橋梁在設(shè)計荷載作用下，梁體的剛度和強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。荷載試驗(yàn)存在以下不足：

1）規(guī)范要求對新建橋梁和橋梁技術(shù)狀況等級較差的橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。但是新建橋梁和技術(shù)狀況等級差的數(shù)量巨大，養(yǎng)護(hù)部門每年預(yù)算有限，加之荷載試驗(yàn)費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響交通，很多地方實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。

2）荷載試驗(yàn)雖可以從剛度的角度確認(rèn)橋梁的安全性，但并不能把握橋梁在設(shè)計荷載作用下實(shí)際運(yùn)營時的安全情況。即對于滿足設(shè)計要求的車輛荷載顯然沒有問題，但是對于超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的車輛荷載存在著風(fēng)險。這個問題也是中小橋梁垮塌的重要原因之一。

日本道路保全技術(shù)中心在1995年制定了檢測標(biāo)準(zhǔn)，并每年對定期檢查有問題的橋梁和服役時間長的橋梁實(shí)施相關(guān)檢測。其要點(diǎn)如下：

1）在橋梁的跨中底部粘貼應(yīng)變傳感器，連續(xù)監(jiān)測應(yīng)變72 h；

2）根據(jù)72 h的監(jiān)測結(jié)果，統(tǒng)計不同應(yīng)變值的發(fā)生頻次，得到實(shí)際交通荷載引起的最大應(yīng)變值；

3）根據(jù)對象橋梁的設(shè)計資料，計算跨中下緣達(dá)到抗拉強(qiáng)度時的允許最大活載應(yīng)變值；

4）如果實(shí)際運(yùn)營交通荷載引起的最大應(yīng)變值大于允許最大活載應(yīng)變值，則認(rèn)為是不安全的，需要補(bǔ)強(qiáng)。

2016年上海市道運(yùn)管理局道運(yùn)中心委托上海數(shù)久信息科技有限公司，參考日本道路保全技術(shù)中心的方法，對5座橋梁的板梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變進(jìn)行了72 h監(jiān)測試驗(yàn)研究，建立了板梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)［1］。

本文參考了上述研究結(jié)果，提出了基于實(shí)時監(jiān)測和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的綜合檢測方法，實(shí)現(xiàn)了少封交通、低成本及對板梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行檢測評定，并進(jìn)行了三座橋梁驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 監(jiān)測評定方法

提出的基于72 h實(shí)時監(jiān)測和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的綜合檢測方法如下（圖1）。

圖1 提案的檢測評定方法

1）結(jié)合板梁設(shè)計參數(shù)，對板梁撓度與應(yīng)變進(jìn)行有限元計算，獲得各跨最大應(yīng)變與最大撓度作為閾值；

2）對板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行72 h實(shí)時監(jiān)測，獲取該監(jiān)測周期內(nèi)最大的板梁應(yīng)變與撓度特征；

3）對應(yīng)變與撓度數(shù)值在閾值內(nèi)的板梁結(jié)構(gòu)，判定其為安全。而超出閾值的板梁結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢查板梁剛度是否存在問題。如果沒有達(dá)標(biāo)則需要考慮對橋梁進(jìn)行加固與維修；如果荷載試驗(yàn)結(jié)果符合橋梁的剛度要求，則需要對其橋面交通進(jìn)行治超管理。

3 試驗(yàn)橋梁概況

試驗(yàn)橋梁為杭州市臨安區(qū)畔湖橋、杭州市臨安區(qū)青山大道橋及杭州市余杭塘路蔣村港橋3座橋梁（表1）。這3座橋全橋的狀況評估見表2。杭州市余杭塘路蔣村港橋由于周邊施工，試驗(yàn)期間存在超重的土方車和混凝土攪拌車通行。

表1 畔湖橋、青山大道橋、余杭塘路蔣村港橋配置參數(shù)

表2 畔湖橋、青山大道橋、蔣村港橋各結(jié)構(gòu)狀況評估

4 72 h實(shí)時監(jiān)測設(shè)備

72 h實(shí)時監(jiān)測設(shè)備采用上海數(shù)久信息科技有限公司獨(dú)立研發(fā)針對板梁結(jié)構(gòu)的快速監(jiān)測系統(tǒng)［2-3］（簡稱BAM系統(tǒng)）。它由布置在梁底測點(diǎn)的傳感器以100 Hz的速率高速采集測點(diǎn)的撓度和應(yīng)變，見圖2。

圖2 BAM系統(tǒng)架構(gòu)

BAM系統(tǒng)通過72 h的連續(xù)監(jiān)測對板梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況進(jìn)行定量評定［4-5］，具體功能見表3。

表3 72 h監(jiān)測結(jié)果評定

5 橋梁試驗(yàn)結(jié)果

5.1 理論計算結(jié)果

采用MIDAS CIVIL 2020建立3座橋梁的有限元模型。通過計算實(shí)際加載車輛得到梁體在車輛荷載作用下梁體最大應(yīng)變和最大撓度，見表4。

表4 畔湖橋、青山大道橋、蔣村港橋的理論計算結(jié)果

5.2 72 h監(jiān)測結(jié)果

72 h連續(xù)采樣監(jiān)測，選擇機(jī)動車道路面下方的板梁結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 3座橋梁72 h監(jiān)測測點(diǎn)布置

將傳感器布置在每條待監(jiān)測板梁之間的鉸縫上，即每條鉸縫兩側(cè)需要布置兩個傳感器。

表5為畔湖橋72 h監(jiān)測結(jié)果。其中3號、4號、5號及15號、16號板梁的監(jiān)測設(shè)備故障，監(jiān)測數(shù)據(jù)作廢棄處理。6號至14號板梁的最大應(yīng)變和撓度均小于理論計算最大值，屬于安全范圍內(nèi)（狀態(tài)I）。

表5 畔湖橋72 h監(jiān)測結(jié)果

圖4為畔湖橋11號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布。由此可見，72 h內(nèi)通行車輛以輕型車輛為主。

圖4 畔湖橋11號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布

表6為青山大道橋72 h監(jiān)測結(jié)果。1號至14號所有板梁的最大應(yīng)變和撓度均小于理論計算最大值，屬于安全范圍內(nèi)（狀態(tài)I）。

表6 青山大道橋72 h監(jiān)測結(jié)果

圖5為青山大道橋4號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布圖。由此可見，72 h內(nèi)通行車輛以輕型車輛為主。

圖5 青山大道橋4號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布

表7為蔣村港橋72 h監(jiān)測結(jié)果。7號板梁的最大應(yīng)變超出理論計算最大值，為不安全狀態(tài)（狀態(tài)Ⅱ）。圖6為蔣村港橋7號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布圖。由此可見，72 h內(nèi)通行車輛仍以輕型車輛為主，但是存在數(shù)百次重型車輛通過。

圖6 蔣村港橋7號板梁跨中撓度和應(yīng)變的頻度分布

表7 蔣村港橋72 h監(jiān)測結(jié)果

5.3 荷載試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證橋梁剛度，對3座橋梁按照現(xiàn)行《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程（JTG／T J21—01—2015）》的要求，進(jìn)行了偏載和中載兩種不同荷載工況的荷載試驗(yàn)。

3座橋梁荷載試驗(yàn)的結(jié)果見表8，荷載試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁的剛度和強(qiáng)度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

表8 畔湖橋、青山大道橋、蔣村港橋荷載試驗(yàn)結(jié)果與剛度系數(shù)

5.4 試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果分析

表9為理論計算72 h監(jiān)測及荷載試驗(yàn)結(jié)果的匯總表。如表9所示，畔湖橋和青山大道橋經(jīng)過72 h監(jiān)測結(jié)果表明板梁的工作狀況處于安全范圍，荷載試驗(yàn)證明其剛度也是合格狀態(tài)。

表9 荷載試驗(yàn)和72 h監(jiān)測結(jié)果匯總

蔣村港橋的72 h監(jiān)測發(fā)現(xiàn)板梁最大應(yīng)變超過理論計算最大應(yīng)變值，表明板梁的工作狀況處于不安全范圍。而荷載試驗(yàn)表明其自身剛度處于合格范圍。通過調(diào)查蔣村港橋周邊，發(fā)現(xiàn)該橋附近有工地施工，裝載混凝土和樁基設(shè)備的重型車輛頻繁通過該橋。這說明影響該橋的安全因素應(yīng)該是超載車輛，需要對該橋的超載狀況進(jìn)行治理。

6 結(jié)語

為了解決荷載試驗(yàn)作為目前橋梁常用的承載能力檢測方法存在著檢測費(fèi)用高、對交通影響大、無法反映實(shí)際運(yùn)營交通荷載作用下結(jié)構(gòu)的承載能力等問題。本文提出了基于72 h實(shí)時監(jiān)測和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的綜合檢測方法，實(shí)現(xiàn)了少封交通、低成本，且對橋梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行檢測評定。并以此方法對杭州市臨安區(qū)畔湖橋、杭州市臨安區(qū)青山大道橋及杭州市余杭塘路蔣村港橋等3座橋梁進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法能較好解決單純進(jìn)行荷載試驗(yàn)存在檢測費(fèi)用高，對交通影響大，無法反映實(shí)際運(yùn)營交通荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力狀況等問題。并且通過72 h實(shí)時監(jiān)測，提出橋梁目前所屬狀況，從而為板梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和維修提供了寶貴的數(shù)據(jù)。