新西樵大橋主橋養(yǎng)護(hù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究

張秦

（佛山市南海區(qū)公路管理站，廣東 佛山 528226）

1 工程概況

新西樵大橋主橋結(jié)構(gòu)形式為斜拉橋，全長245m，跨徑組合為120m+125m。拉索采用平行雙索面布置，塔墩固結(jié)，主梁為半漂浮結(jié)構(gòu)體系。主塔處設(shè)豎向可調(diào)高支座、縱向限位支座和橫向限位支座，邊墩設(shè)縱向活動支座和橫向限位支座。主梁采用整體式流線形扁平鋼箱梁，整幅橋鋼箱梁內(nèi)設(shè)5 道縱腹板，均采用整體實(shí)腹板。共設(shè)22 對斜拉索，橫向設(shè)兩排索，間距為37m，主橋全橋共44 根斜拉索，拉索傾角約28。拉索采用φ7 高強(qiáng)鍍鋅鋼絲，強(qiáng)度1670MPa。橋面采用瀝青混凝土鋪裝，鋪裝面層為2.5cm 厚改性SMA-10 瀝青混凝土，鋪裝下層為3.0cm 厚改性SMA-13 瀝青混凝土，橋面全寬42.5m，橋面設(shè)置2 道D240mm 模數(shù)式伸縮縫。

2 養(yǎng)護(hù)與檢測

2.1 主橋日常養(yǎng)護(hù)

主橋常見病害的位置集中在橋面系，病害的主要類型包括：車轍、裂紋、推移、擁包等。雖然已多次對橋面鋪裝層病害進(jìn)行小范圍的修補(bǔ)，例如使用冷補(bǔ)瀝青混合料對坑槽進(jìn)行填補(bǔ)，但收效甚微。橋面鋪裝層病害的反復(fù)出現(xiàn)，大幅增加了橋梁巡查人員的工作負(fù)擔(dān)。橋面瀝青鋪裝層病害多發(fā)主要有以下幾點(diǎn)原因。

2.1.1 瀝青鋪裝層過薄

主橋交通量大且多為重載車輛通行，重載車輛對橋面瀝青鋪裝層的輾軋嚴(yán)重，容易產(chǎn)生車轍。

2.1.2 瀝青高溫穩(wěn)定性不足

由于鋼箱梁的保溫作用，主橋橋面的瀝青鋪裝層溫度比一般的路面瀝青溫度要高，在夏季鋼箱梁的溫度可接近50℃以上，橋面瀝青鋪裝層直接承受鋼箱梁傳遞的高溫，使得瀝青混合料受熱軟化。

在主橋轉(zhuǎn)換墩處設(shè)置的閘道分叉口，汽車快速駛過時(shí)的切向力使得瀝青鋪裝層與防水黏結(jié)層之間受到較大剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過防水黏結(jié)層的黏結(jié)應(yīng)力極限就會破壞，使得在車輛荷載持續(xù)作用下容易產(chǎn)生推移的病害。

針對橋面的瀝青病害的處理，在2021年1月對病害嚴(yán)重的右幅橋K1+473～K1+573 范圍內(nèi)進(jìn)行瀝青鋪裝層維修工程，對原有的破損路面進(jìn)行鑿除，再重新攤鋪鋼橋面結(jié)構(gòu)層，如圖1 所示。

圖1 橋面瀝青鋪裝層維修

2.2 主橋定期檢測

主橋在2020年的定期檢測中，總體技術(shù)狀況由原來的“1 類”降為“2 類”，檢測的主要病害位置集中在上部結(jié)構(gòu)與橋面系。其中橋面瀝青鋪裝層新增病害較多，主要為右幅瀝青橋面的推移、擁包，與日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)的橋面瀝青鋪裝層病害相吻合，成為較上一次檢測結(jié)果中技術(shù)狀況評分下降最大的單項(xiàng)，是導(dǎo)致主橋總體技術(shù)狀況評價(jià)下降的主要原因。

上部結(jié)構(gòu)病害集中在斜拉索、鋼箱梁；主要為斜拉索PE 護(hù)套局部刮損，鋼箱梁內(nèi)部出現(xiàn)焊縫出現(xiàn)銹蝕、焊縫不飽滿以及局部積水。主橋其余構(gòu)件技術(shù)狀況良好，主梁線形與前次測量結(jié)果基本擬合，主橋橋面結(jié)構(gòu)線形平順，無明顯下?lián)犀F(xiàn)象。由于鋼箱梁存在局部積水，加上夏季鋼箱梁溫度升高，使得鋼箱梁內(nèi)部的銹蝕速度加快，導(dǎo)致較大面積的焊縫銹蝕產(chǎn)生。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)介紹

新西樵大橋主橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)分為5 層：傳感器層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層。

傳感器層為主橋上安裝的傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，全橋共安裝傳感器128 個(gè)，對橋梁環(huán)境參數(shù)以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，布置位置如圖2 所示。傳感器類型分為9 類：風(fēng)速風(fēng)向儀2 個(gè)、溫度儀21 個(gè)、靜力水準(zhǔn)儀16個(gè)、應(yīng)變計(jì)29 個(gè)、傾角儀4 個(gè)、拉線位移計(jì)4 個(gè)、加速度儀25 個(gè)、索力儀24 個(gè)、視頻監(jiān)控球機(jī)3 個(gè)。

圖2 主橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置示意圖

網(wǎng)絡(luò)傳輸層為傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號濾波，匯聚至數(shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過互聯(lián)網(wǎng)專線傳輸至大數(shù)據(jù)云。數(shù)據(jù)服務(wù)層為基于大數(shù)據(jù)云部署的數(shù)據(jù)前處理服務(wù)，包括數(shù)據(jù)融合、儲存等；在大數(shù)據(jù)云進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)及信號處理的相關(guān)運(yùn)算。應(yīng)用層為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)配套的軟件應(yīng)用，部署在大數(shù)據(jù)云，可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，設(shè)置閾值報(bào)警機(jī)制，分析特征數(shù)據(jù)。用戶層為大屏幕、桌面、移動終端對軟件應(yīng)用進(jìn)行展示。

3.2 監(jiān)測閾值

為實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)適用性監(jiān)測，即對橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫、撓度超限、主梁振動過大等影響正常使用性能的非結(jié)構(gòu)破壞性事件進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，系統(tǒng)閾值的設(shè)置是關(guān)鍵所在。新西樵大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)類監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置三級閾值，分為：一級、二級、三級，對應(yīng)的報(bào)警級為：I 級、II 級、III 級，預(yù)警信息根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分為：重大風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、較大風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、一般風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。閾值級別對應(yīng)的報(bào)警信息如表1 所示。

表1 系統(tǒng)閾值報(bào)警級別

3.3 數(shù)據(jù)分析

新西樵大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)自2020年12月調(diào)試完成后，至今已上線運(yùn)行近半年，以2021年3月份數(shù)據(jù)為例，對布置在南莊側(cè)主梁跨中截面測點(diǎn)的加速度儀采集的豎向振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，將月初與月末的頻域曲線進(jìn)行比對，如圖3 所示。

圖3 主橋南莊側(cè)跨中截面測點(diǎn)加速度頻域圖

通過頻域圖可以看出，跨中測點(diǎn)月末與月初的頻域曲線基本重合，月末與月初頻率代表值差值小于4%，說明主梁整體結(jié)構(gòu)動力特性未發(fā)生明顯改變，主梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)剛度劣化的情況，符合主橋定檢結(jié)果中鋼箱梁未發(fā)現(xiàn)焊縫大范圍開裂的情況。

4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)改進(jìn)建議

為更好地改進(jìn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，使其在實(shí)際應(yīng)用場景中發(fā)揮更大的價(jià)值，結(jié)合橋梁養(yǎng)護(hù)工作中的應(yīng)用情況，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議：

4.1 發(fā)展對橋面瀝青鋪裝層病害的監(jiān)測技術(shù)

當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)缺乏對橋面瀝青鋪裝層的監(jiān)測，難以對橋面瀝青鋪裝層的病害進(jìn)行預(yù)警。傳統(tǒng)人工巡查耗費(fèi)的人力物力巨大，經(jīng)濟(jì)效益不高。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可利用已安裝的視頻監(jiān)控球機(jī)，結(jié)合AI 圖像識別技術(shù)對橋面瀝青鋪裝層常見病害進(jìn)行識別，如推移、擁包等，出現(xiàn)病害后及時(shí)將報(bào)警信息推送至橋梁養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行修復(fù)。有效減少人工巡查頻次，實(shí)現(xiàn)每次巡查都能夠“有的放矢”。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析建立與橋梁檢測相對應(yīng)的病害分析體系

雖然學(xué)術(shù)界已有多種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法，例如時(shí)間序列損傷概率分析等，但相關(guān)的數(shù)值分析方法需要在實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性。而橋梁檢測已有成熟的橋梁病害分析標(biāo)準(zhǔn)，在工程界中已沿用多年。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析可建立與橋梁檢測相對應(yīng)的病害分析體系，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果可與橋梁檢測結(jié)果進(jìn)行橫向比對，以達(dá)到互相校核的效果，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)病害更為完整的描述。例如，主梁的靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)分析結(jié)果可與橋梁檢測中主梁線形觀測結(jié)果進(jìn)行比對、加速度儀頻域分析結(jié)果可與動載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對等。

4.3 閾值設(shè)定需要與有限元分析相結(jié)合進(jìn)行動態(tài)調(diào)整

過低的閾值會導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)警次數(shù)增多，加重報(bào)警審核人員的負(fù)擔(dān)，而過高的閾值則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)的漏判，使得系統(tǒng)預(yù)警功能大打折扣。閾值設(shè)定可結(jié)合橋梁有限元模型分析結(jié)果進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，將一定時(shí)間段內(nèi)傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)與橋梁有限元模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，修正有限元模型，更新最不利工況下的計(jì)算結(jié)果作為新的閾值，在下一監(jiān)測周期內(nèi)根據(jù)報(bào)警情況進(jìn)行迭代調(diào)整，直至得到合理的閾值。

4.4 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)安全評估需與公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)體系相適應(yīng)

目前學(xué)術(shù)界雖已發(fā)展出基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)安全評估方法，例如基于結(jié)構(gòu)可靠度的結(jié)構(gòu)承載力評估方法等，可以對橋梁整體結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評分。但在推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中，需要與目前廣泛沿用的《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）規(guī)范相適應(yīng)。如何將基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果與橋梁技術(shù)狀況評分、橋梁技術(shù)狀況等級（1-5類）進(jìn)行對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)安全更完整的描述，是下一步需要研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)語

綜上所述，通過新西樵大橋主橋?yàn)槔?，對橋梁養(yǎng)護(hù)工作中健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要性進(jìn)行了明確。同時(shí)根據(jù)實(shí)踐，對系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)提出了幾點(diǎn)建議，希望可以為橋梁養(yǎng)護(hù)提供良好的支持，確保橋梁的安全使用。