預(yù)制T型梁橋支座結(jié)構(gòu)脫空監(jiān)測技術(shù)探究

盧振宏

（廣深珠高速公路有限公司，廣東 東莞 523925）

一、概述

預(yù)制T型梁橋梁體支座一旦出現(xiàn)脫空，一般將導(dǎo)致梁體受力不均，出現(xiàn)橫向聯(lián)系破壞等病害，甚至影響梁體結(jié)構(gòu)安全。對于支座是否脫空及脫空程度等情況的掌握，一般是通過近距離肉眼或借助設(shè)備觀察，該方式雖可明確支座的脫空狀態(tài)，但往往需要借助輔助平臺，且為臨時(shí)短暫觀察，很難及時(shí)獲知支座脫空的實(shí)時(shí)狀態(tài)或變化過程。借助相關(guān)傳感設(shè)備，遠(yuǎn)程在線監(jiān)測支座的脫空情況及其對梁體受力的影響，對判斷結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

二、支座脫空監(jiān)測參數(shù)

本文結(jié)合一座常見的簡支T梁橋，通過計(jì)算分析，確定受支座脫空影響較大的敏感參數(shù)及測點(diǎn)位置，敏感參數(shù)應(yīng)綜合測量方便、便于分析、直觀敏感等因素確定。無論哪種形式的脫空對橋結(jié)構(gòu)均有較大的不利影響，其特征點(diǎn)的參數(shù)（應(yīng)力、位移、轉(zhuǎn)角等）曲線與正常使用下的均不一致[1，2]，以此判斷某個(gè)支座的脫空狀態(tài)。

首先采用有限元計(jì)算的方法對某T型梁橋進(jìn)行有限元計(jì)算，分析支座脫空所導(dǎo)致梁體橫隔板（或翼緣板）破壞的特征點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化曲線，從而為監(jiān)測方案制定及傳感器布設(shè)提供量化指導(dǎo)。

（一）計(jì)算模型

以某預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋?yàn)槔?，跨徑布置?m×30m。主梁橫向布置情況與加載位置如圖1所示。采用大型通用有限元程序ANSYS建立預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，實(shí)體單元采用SOLID45，建立有限元模型。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車—超20級，汽車荷載橋梁橫向加載，汽車荷載加載采用車輛荷載。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋橫向布置與加載位置

（二）敏感參數(shù)分析

預(yù)制拼裝的T梁橋通過橫隔板與翼緣板連接成整體，共同承擔(dān)橋面荷載。

如橫隔板損傷和翼緣板縱向接縫開裂，會削弱T型梁之間的橫向連接性能，使各片T梁荷載分配比例發(fā)生變化，內(nèi)力及位移增大。由于支座附近兩端轉(zhuǎn)角、梁底與墊石（或蓋梁）間的位移直觀且敏感，因此主要針對應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行分析。

采用以下5種情況分析支座脫空導(dǎo)致的T梁損傷對梁底應(yīng)力的影響：第三道橫隔板失效（損傷一）；第四道橫隔板失效（損傷二）；第五道橫隔板失效（損傷三）；第三、四、五道橫隔板失效（損傷四）；第二、三道翼緣縱向接縫全橋失效（損傷五）。

橫隔板編號從一向另外一端遞增編號，使接縫編號從左至右遞增編號。分別計(jì)算荷載作用下各損傷工況下T梁跨中梁底縱橋向應(yīng)力，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橫隔板及濕接縫損傷工況下跨中梁底應(yīng)力（MPa）

相同荷載工況下，各主梁在不同損傷工況下跨中梁底的縱橋向應(yīng)力，通過分析各梁應(yīng)力變化情況可知：

損傷一、三、五對主梁跨中梁底荷載應(yīng)力影響較小，損傷二、四對主梁跨中梁底荷載應(yīng)力影響顯著；

在同樣荷載作用下，損傷二及損傷三引起主梁跨中底緣最大縱橋向荷載應(yīng)力增大，如在損傷四情況下4號梁最大荷載應(yīng)力相對無損傷工況時(shí)增大了1.2MPa；

相同工況下各梁的應(yīng)力變化情況不一樣，說明荷載應(yīng)力的變化情況還受到荷載位置及形式的影響。

上述理論分析的結(jié)果為后期監(jiān)測結(jié)果的判斷提供了依據(jù)及參考。

三、監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

（一）監(jiān)測傳感器選型

光纖傳感技術(shù)具有遠(yuǎn)距離傳輸、耐酸耐腐蝕、可服役于惡劣環(huán)境、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。該方案針對預(yù)制T型梁橋的支座脫空監(jiān)測的特點(diǎn)與需求，提出采用光纖應(yīng)變、傾角與位移傳感器相結(jié)合的監(jiān)測系統(tǒng)，且可通過串聯(lián)方式連接，實(shí)現(xiàn)一纖多點(diǎn)監(jiān)測，簡化現(xiàn)場布線。

（二）測點(diǎn)布置

該方案擬將傾角傳感器直接安裝至梁體端部底部表面，安置固定基點(diǎn)以放置位移傳感器的一端，其另一端安裝于被測梁體的表面。從而評判T型梁橋在長期運(yùn)營過程中的轉(zhuǎn)角變形變化情況，為支座工作狀態(tài)的評定提供依據(jù)。該傳感器可同時(shí)測量兩個(gè)方向的傾斜變化，從而通過解耦計(jì)算得出該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度。

（三）總體系統(tǒng)組成

支座脫空自動化監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路為：以支座脫空超限與橫隔板破壞的及時(shí)預(yù)警為目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)或子模板之間相互獨(dú)立、有序融合。同時(shí)，自動化監(jiān)測系統(tǒng)考慮將既有檢測數(shù)據(jù)、規(guī)范限制全部納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于修正結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型及確定監(jiān)測預(yù)警值。

（四）自動化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測子系統(tǒng)

自動化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測子系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)采集環(huán)境特征及T型梁橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備對采集的數(shù)據(jù)做在線預(yù)處理，為評價(jià)支座脫空提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，三個(gè)模塊包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理與控制模塊。

（五）結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估子系統(tǒng)運(yùn)行初期，需建立科學(xué)的分級預(yù)警體系（評估支座完全脫空或不完全脫空），然后結(jié)合有限元計(jì)算與規(guī)范提供的限值和監(jiān)測數(shù)據(jù)確定合理的預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)在線分級預(yù)警。該子系統(tǒng)可分為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模塊、安全預(yù)警模塊、閾值設(shè)定模塊及檔案信息管理等。

四、結(jié)語

本文通過對預(yù)制T型梁橋支座結(jié)構(gòu)脫空監(jiān)測系統(tǒng)探究，為橋梁安全監(jiān)測提供參考。在線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建更有利于減少人力成本，及時(shí)獲知支座的工作狀態(tài)，提升安全管理能力，可大幅降低管理、決策和養(yǎng)護(hù)成本，提升應(yīng)急指揮能力。橋梁管理單位遇有突發(fā)事件及事故蔓延時(shí)，能夠做到早期報(bào)警、先期處警、快速反應(yīng)，用先進(jìn)的指揮調(diào)度手段實(shí)現(xiàn)有序科學(xué)的應(yīng)急管理，最大限度地降低經(jīng)濟(jì)損失，消除社會負(fù)面影響。