淺談橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在雙曲拱橋中的應(yīng)用

張姝娟

（上海高架養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海市 200439）

0 引言

雙曲拱橋誕生于20世紀(jì)60年代的我國(guó)，由于當(dāng)時(shí)制造水平低下，建設(shè)生產(chǎn)資料的匱乏，我國(guó)設(shè)計(jì)工作者結(jié)合拱橋和梁橋的特點(diǎn)，創(chuàng)造了該類(lèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、美觀輕巧、自重較輕的裝配式拱橋。該類(lèi)橋型一經(jīng)問(wèn)世，就得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在問(wèn)世后的十年內(nèi)就建成了4 000多座，總長(zhǎng)度約30萬(wàn)米[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，此類(lèi)橋梁正逐漸被其他新結(jié)構(gòu)形式橋梁所取代。而舊有雙曲拱橋在長(zhǎng)期處于不斷增長(zhǎng)的大交通量、自然條件侵蝕的考驗(yàn)下，不斷老化、破損，我國(guó)目前對(duì)于部分可修繕且費(fèi)用不太高的這類(lèi)橋梁，均采用了維修加固等方式，而加固后的這類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)，依靠常規(guī)養(yǎng)護(hù)手段，已無(wú)法準(zhǔn)確掌握運(yùn)營(yíng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)性能狀況和結(jié)構(gòu)損傷情況，這對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)非常不利。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種智能化主動(dòng)養(yǎng)護(hù)策略，彌補(bǔ)了原有被動(dòng)養(yǎng)護(hù)策略的不足，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。因此，對(duì)雙曲拱橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并將研究經(jīng)驗(yàn)推廣至其他中小橋梁，正成為橋梁管理部門(mén)迫切需要解決的一個(gè)難題[2]。

本文以蘇州河上寶成橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施及運(yùn)營(yíng)情況，并對(duì)其他既有中小橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提出有價(jià)值的建議。

1 雙曲拱橋受力特性

進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、確定測(cè)點(diǎn)布置前，需要對(duì)橋梁受力特征進(jìn)行分析。

雙曲拱橋是一種裝配式拱式結(jié)構(gòu)，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)或工廠預(yù)制拱肋、微彎板及橫向聯(lián)系，待各構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，采用現(xiàn)場(chǎng)小型機(jī)械吊裝的方式，拼接成整體，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)體系”化整為零”到“化零為整”的過(guò)程[3]。從拱橋的受力機(jī)理上來(lái)說(shuō)，拱橋?qū)⒊惺艿呢Q向荷載轉(zhuǎn)化為拱腳對(duì)地基的水平推力及豎向壓力傳遞給地基[4]。這種拱橋的受力特性使得拱腳變位（轉(zhuǎn)動(dòng)、位移）及拱軸線(xiàn)的些許變形將產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，使得橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力發(fā)生巨大變化，同時(shí)由于該類(lèi)橋梁屬于裝配式結(jié)構(gòu)，受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件影響，結(jié)構(gòu)整體性較差，這些因素都嚴(yán)重影響此類(lèi)橋梁的承載能力及使用安全。

2 健康監(jiān)測(cè)方案

2.1 工程概況

寶成橋是一座專(zhuān)供行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)通行的單跨鋼筋混凝土雙曲拱橋，建成于1971年，凈跨徑44.0 m，矢高為5.5 m，矢跨比為1/8，橋?qū)?.7 m，設(shè)計(jì)荷載為人群荷載400 kg/m2，上部結(jié)構(gòu)主拱由3片拱肋和2片拱波組成，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用齒檻式橋臺(tái)，橋臺(tái)基礎(chǔ)采用兩排樁長(zhǎng)分別為4.5 m和5.5 m的預(yù)制方樁。

2.2 寶成橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的必要性

（1）寶成橋作為上海蘇州河上目前唯一一座雙曲拱橋，服役年限長(zhǎng)，歷史悠久，具有重要的保護(hù)價(jià)值。

（2）上海軟土地基對(duì)拱橋影響較大，土體徐變、滑移及沉降將大幅削弱地基對(duì)拱腳水平推力的抵抗能力，因此需要基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)支撐日常管理。

（3）現(xiàn)階段寶成橋養(yǎng)護(hù)存在時(shí)間盲區(qū)，傳統(tǒng)的人工巡查及定期檢查、檢測(cè)不足以使技術(shù)人員及時(shí)對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生的危急突發(fā)狀況對(duì)橋梁技術(shù)狀況的影響做出準(zhǔn)確評(píng)估，因此需引入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為補(bǔ)充。

（4）寶成橋橫跨蘇州河，位于市中心，具備重要的歷史文化意義和社會(huì)影響力。若寶成橋發(fā)生突發(fā)性安全事故，會(huì)很大程度上影響過(guò)往行人安全，導(dǎo)致交通中斷，帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失及惡劣的社會(huì)影響，影響城市發(fā)展，給蘇州河沿線(xiàn)橋梁的管養(yǎng)帶來(lái)不良的示范，通過(guò)健康監(jiān)測(cè)的方式，管養(yǎng)部門(mén)可以實(shí)時(shí)掌握寶成橋整體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，使寶成橋的安全可以做到心中有數(shù)，對(duì)寶成橋、蘇州河沿線(xiàn)橋梁乃至上海市均具備重大意義。

（5）通過(guò)對(duì)寶成橋?qū)嵤┙】当O(jiān)測(cè)，切實(shí)了解寶成橋的真實(shí)受力狀況及特點(diǎn)，同時(shí)可將監(jiān)測(cè)成果推廣應(yīng)用于其他在役拱橋上，讓其他拱橋也可以做到安全可控，其更深遠(yuǎn)的意義還可以完善橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和理論，修編相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)監(jiān)測(cè)規(guī)范[5-6]的規(guī)定，拱橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括車(chē)輛荷載、船舶撞擊等16項(xiàng)內(nèi)容，若將全部監(jiān)測(cè)指標(biāo)均列為橋梁的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，則投資規(guī)模和日常需處理的數(shù)據(jù)量將相應(yīng)增大，大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也將影響技術(shù)人員對(duì)橋梁關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的快速識(shí)別，因此需優(yōu)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，精準(zhǔn)確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)量[7]。綜合考慮寶成橋的基本信息、運(yùn)營(yíng)狀況、橋梁現(xiàn)狀以及歷年的沉降監(jiān)測(cè)及檢測(cè)報(bào)告，考慮溫度對(duì)寶成橋的影響及危害、投資規(guī)模，寶成橋的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目擬定為：變形監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)共2項(xiàng)，其中變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含橋面線(xiàn)形、拱軸線(xiàn)線(xiàn)形、橋臺(tái)沉降、排架立柱橫向位移共4個(gè)子監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

（1）變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于攝影測(cè)量法的高精度實(shí)時(shí)在線(xiàn)位移監(jiān)測(cè)手段，由布設(shè)于已知相對(duì)靜止位置的基準(zhǔn)點(diǎn)和多個(gè)被監(jiān)測(cè)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)基準(zhǔn)靶和測(cè)量靶，利用攝像機(jī)拍攝基準(zhǔn)靶與測(cè)量靶之間的相互位置變化來(lái)計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的X（水平）、Z（沉降）位移情況。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)發(fā)生位置變化時(shí)，通過(guò)軟件特定算法實(shí)現(xiàn)位移距離與像素的轉(zhuǎn)換，從而得到實(shí)際的位移量，是一種高精度、非接觸式的測(cè)量方法，目前已被廣泛應(yīng)用于橋梁主梁的動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)、橋面線(xiàn)形監(jiān)測(cè)、橋墩位移監(jiān)測(cè)、鉸縫錯(cuò)位（主梁梁間相對(duì)變位）監(jiān)測(cè)、支座三向位移監(jiān)測(cè)等，可進(jìn)行長(zhǎng)期在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

a.橋面線(xiàn)形監(jiān)測(cè)

通過(guò)在橋面安裝傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面線(xiàn)形的監(jiān)測(cè)，共設(shè)置5個(gè)橋面線(xiàn)形測(cè)點(diǎn)，并布設(shè)3個(gè)觀測(cè)墩作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

b.拱軸線(xiàn)線(xiàn)形

選取一側(cè)邊拱肋8分點(diǎn)及兩端拱腳作為拱軸線(xiàn)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝1個(gè)傳感器，共布置9個(gè)傳感器。

c.橋臺(tái)沉降情況

橋臺(tái)的穩(wěn)定對(duì)雙曲拱橋而言至關(guān)重要，上海為軟土地基，出現(xiàn)地基沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大，選取寶成橋兩端橋臺(tái)處線(xiàn)形監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)作為橋臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置2個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

d.排架立柱橫向位移

排架立柱的橫向位移是雙曲拱橋安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，選取橋梁一側(cè)排架立柱頂部2個(gè)橫向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，全橋共布置2個(gè)排架立柱橫向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)以往定期檢測(cè)及檢查數(shù)據(jù)可知，寶成橋的線(xiàn)形及其他變形相關(guān)數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度影響較大，準(zhǔn)確了解其環(huán)境溫度、濕度等外界環(huán)境的變化規(guī)律和趨勢(shì)顯得至關(guān)重要，全橋設(shè)置1個(gè)溫度環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 與人工定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，于2021年8月對(duì)該橋進(jìn)行人工測(cè)量，將對(duì)拱軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)同時(shí)段采集數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可見(jiàn)，人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)段本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，最大偏差僅為8.2%。由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果準(zhǔn)確可靠，與傳統(tǒng)人工定期監(jiān)測(cè)相比，基于攝影測(cè)量法的在線(xiàn)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效限制因人為而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，有利于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性自動(dòng)化處理。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁24 h不間斷“陪伴式”監(jiān)測(cè)，可有效規(guī)避人工定期巡查空窗期內(nèi)的檢查“盲區(qū)”，結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)海量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析而計(jì)算出的該橋當(dāng)日、當(dāng)月平均數(shù)據(jù)，有利于工程技術(shù)人員準(zhǔn)確把握橋梁技術(shù)狀況變化規(guī)律和預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，達(dá)到避免或減少災(zāi)難性事故發(fā)生的目的。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)對(duì)比

為研究系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)的偏差，采用Midas Civil建立簡(jiǎn)化、離散后的該橋有限元模型，見(jiàn)圖1。

圖1 有限元分析模型

考慮溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以近九個(gè)月該橋環(huán)境溫度值作為變量，計(jì)算分析得到該橋拱軸線(xiàn)1/8、1/4、3/8及1/2測(cè)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)溫度下?lián)隙壤碚撝?，并與本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2，因人工定期監(jiān)測(cè)僅為半年一次，因此不列入本次數(shù)據(jù)對(duì)比范疇。

由圖2可見(jiàn)，在溫度荷載作用下，采用本系統(tǒng)所得到的拱軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)吻合度較高，各測(cè)點(diǎn)高程受溫度影響較大，隨溫度升高而上升，且高程變化量由拱頂向橋梁兩端逐漸減小。

圖2 有限元分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比（單位：mm）

4 總結(jié)、展望及思考

隨著我國(guó)公路橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展，以保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)為主要目標(biāo)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因具有常規(guī)人工檢測(cè)所不具備的優(yōu)勢(shì)正日益得到廣泛應(yīng)用。本文以寶成橋?yàn)楣こ虒?shí)例，詳細(xì)介紹此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方案擬定過(guò)程，并對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）與人工定期監(jiān)測(cè)相比，系統(tǒng)具有可靠性高、海量數(shù)據(jù)處理方便、有效控制誤差、可部分代替人工定期檢查的優(yōu)勢(shì)。

（2）通過(guò)對(duì)寶成橋的健康監(jiān)測(cè)，在不斷總結(jié)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，完善監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，可以將其對(duì)雙曲拱橋的監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用到其他中小橋梁上，從而建立橋梁安全大數(shù)據(jù)，挖掘大數(shù)據(jù)背后對(duì)橋梁管理、橋梁養(yǎng)護(hù)工作的數(shù)字化體現(xiàn)，有方向性地優(yōu)化管養(yǎng)工作程序及方式，實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)逐漸向智能化，數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)變，提升管理巡視水平，為橋梁管理提供可靠的技術(shù)、數(shù)據(jù)支持[8]。

（3）通過(guò)對(duì)寶成橋開(kāi)展健康監(jiān)測(cè)，可切實(shí)對(duì)比巡檢、定檢、監(jiān)測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的功效和經(jīng)濟(jì)效益，逐漸摸索出巡檢、定檢、監(jiān)測(cè)三者效用最高、經(jīng)濟(jì)性最好的最優(yōu)組合管養(yǎng)模式，并將新的管養(yǎng)模式推廣至蘇州河沿線(xiàn)橋梁乃至上海市其他橋梁的管養(yǎng)工作中。

（4）受限于本項(xiàng)目的投資規(guī)模，綜合考慮加固后橋梁受力性能改善及通行荷載等因素，本工程未將關(guān)鍵截面應(yīng)變列為監(jiān)測(cè)內(nèi)容，使得結(jié)構(gòu)局部損傷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)部分缺失，建議今后采用應(yīng)變計(jì)布置在拱頂正彎矩及拱腳負(fù)彎矩關(guān)鍵斷面，實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)變數(shù)據(jù)，不斷完善健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以獲取更好、更有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為更加全面、準(zhǔn)確把握橋梁受力狀態(tài)，科學(xué)評(píng)估橋梁技術(shù)狀況提供有力支撐。