基于數(shù)字化技術(shù)的裝配式橋梁安全監(jiān)測管理研究

王善巍，蘇 和，潘永杰，彭家禹

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；2.內(nèi)蒙古禹邦電子科技有限公司）

1 引言

隨著在役橋梁結(jié)構(gòu)老化日趨嚴(yán)重，且交通量持續(xù)增多，橋梁的安全監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)管理日益受到關(guān)注?！丁笆奈濉惫佛B(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》（交公路發(fā)〔2022〕46號(hào)）指出，要“形成主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、智能分析、自動(dòng)預(yù)警、響應(yīng)及時(shí)的工作閉環(huán)，提升監(jiān)管效能”，《交通運(yùn)輸部關(guān)于進(jìn)一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》（交公路發(fā)〔2020〕127 號(hào)）提出“要加快推進(jìn)隱患橋梁評(píng)估工作，健全橋梁運(yùn)行安全的長效機(jī)制”。

受成本及技術(shù)的限制，現(xiàn)有橋梁養(yǎng)護(hù)管理主要以人工巡檢為主，檢查結(jié)果存在兩個(gè)方面的問題，一是受檢查人員經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等主觀因素影響[1，2]，增加了檢查結(jié)果的不確定性；二是檢測方式主要以目視為主，導(dǎo)致對(duì)病害的發(fā)生時(shí)間、嚴(yán)重程度、產(chǎn)生原因等深層次問題了解不清。因此，針對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)管理決策，明確橋梁加固維護(hù)的重點(diǎn)，探尋通過構(gòu)建體系化的橋梁監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)未知風(fēng)險(xiǎn)早發(fā)現(xiàn)、早處置的方法，繼而將養(yǎng)護(hù)對(duì)策前置和輕量化[3]是亟待解決的問題。針對(duì)橋梁病害，明確病害產(chǎn)生的根本原因及演化過程，有助于為病害橋梁下一步的加固設(shè)計(jì)提供方向[4]，為養(yǎng)護(hù)對(duì)策提供精準(zhǔn)方案。隨著傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁的數(shù)字化監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)管理迎來新的發(fā)展契機(jī)。

裝配式梁橋在我國北方地區(qū)數(shù)量眾多、分布廣泛。以裝配式梁橋?yàn)槔?，本文依托?nèi)蒙古自治區(qū)G111線皇姑屯橋開展的數(shù)字化監(jiān)測及橋梁養(yǎng)護(hù)工作實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化分析方法在橋梁養(yǎng)護(hù)管理方面的應(yīng)用，利用裝配式橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)更新和迭代分析，達(dá)到對(duì)橋梁安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)字化養(yǎng)護(hù)，具有較好的應(yīng)用效果。本文所提的數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)能夠有效推動(dòng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平的提升，實(shí)現(xiàn)隱患橋梁的快速安全評(píng)估，為橋梁的監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估研究提供了新的思路。

2 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)框架及指標(biāo)

2.1 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)的總體框架

橋梁數(shù)字化是以信息化為基礎(chǔ)，為橋梁提供安全預(yù)警，大幅度提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理能力的有效工具。數(shù)字化監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)一方面要盡可能使得橋梁病害的表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠反映橋梁承載力的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)[5]，另一方面要把橋梁數(shù)字化養(yǎng)護(hù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為主的思路拓寬為實(shí)時(shí)、長期、連續(xù)性[6]數(shù)據(jù)驗(yàn)證的解決方案。因此，本文針對(duì)橋梁的數(shù)字化方案采用了如圖1所示的系統(tǒng)框圖。

圖1 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)框架圖

由圖1可知，系統(tǒng)框架的前端利用橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸與處理管理系統(tǒng)等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測；用戶端利用數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)對(duì)前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬化運(yùn)算和養(yǎng)護(hù)需求匹配，為管理和業(yè)務(wù)協(xié)同提供決策依據(jù)。

2.2 裝配式橋梁數(shù)字化系統(tǒng)指標(biāo)

為了更好地獲取橋梁狀態(tài)并指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)作業(yè)，本文所提裝配式橋梁數(shù)字化系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能是：監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)主要部位的受力特征數(shù)據(jù)或整體性能[7]，并對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)；監(jiān)測實(shí)時(shí)車輛荷載作用下的撓度、彈性狀態(tài)、橋梁整體剛度狀況、橋梁橫向分布、殘余變形和累計(jì)殘余變形、變形回彈狀況等，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸與處理分析直接為用戶提供監(jiān)測結(jié)果；與傳統(tǒng)靜載監(jiān)測方法不同，無需在橋下設(shè)支承點(diǎn)，可全天候長時(shí)間不間斷進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測。裝配式梁橋數(shù)字化系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及指標(biāo)如圖2所示。

在圖2中，橋梁剛度是橋梁強(qiáng)度和整體受力性能的反映[8]，如果剛度下降或一定時(shí)間下降較快，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度小于設(shè)計(jì)剛度說明橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了問題[9-13]。橋梁結(jié)構(gòu)變形（撓度）是橋梁結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)和橋梁承載能力評(píng)定的重要內(nèi)容和依據(jù)[14]，該指標(biāo)可指導(dǎo)對(duì)通行車輛的超限超載等治理。橋梁結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)要求汽車荷載離開后其產(chǎn)生的變形能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)，殘余變位要小于20%，否則需進(jìn)行加固處理。累計(jì)殘余變位主要表征長期累積殘余變形是否超過了設(shè)計(jì)允許變形的20%。荷載橫向分布系數(shù)是主梁在橫向分配到的汽車荷載比例，納入該指標(biāo)主要是考慮到裝配式梁橋橫向聯(lián)系損壞比例較高導(dǎo)致“單板（梁）受力”現(xiàn)象。橋上荷載識(shí)別主要通過對(duì)某一時(shí)段監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)分析通行車輛的數(shù)量及荷載的噸位，特別是監(jiān)測出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)規(guī)范要求的荷載，以免對(duì)橋梁造成隱性損傷[15]。

3 應(yīng)用案例

3.1 橋梁概況

皇姑屯橋建于2005 年，設(shè)計(jì)荷載為汽車-20、掛-100。橋梁全長43.04m，橋梁寬度為0.5m 防撞墻+凈11.5m+0.5m 防撞墻。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用3×13m 混凝土簡支空心板梁。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要病害為第三跨部分鉸縫滲水，部分板梁跨中位置有橫向裂縫。

3.2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

分析皇姑屯橋的具體情況后，采用附著式橋梁在線監(jiān)測裝置監(jiān)測橋梁主梁跨中截面的豎向變形，實(shí)際測點(diǎn)布置于3-5#梁跨中截面，其中3是指沿橋梁樁號(hào)前進(jìn)方向第3跨，5是指沿橋梁樁號(hào)前進(jìn)方向由左向右第5片主梁。測點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁立面及平面測點(diǎn)布置示意圖

圖4 橋梁橫斷面測點(diǎn)布置示意圖（cm）

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1 橋梁整體剛度

通過靜載試驗(yàn)，結(jié)合監(jiān)測設(shè)備獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可得皇姑屯橋的上部結(jié)構(gòu)剛度標(biāo)定結(jié)果，并與按設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算得到的理論計(jì)算剛度進(jìn)行比較，見表1。

表1 剛度標(biāo)定及理論計(jì)算結(jié)果

由上表可知，案例對(duì)象橋梁上部結(jié)構(gòu)的標(biāo)定剛度明顯小于理論計(jì)算剛度，表明該橋上部結(jié)構(gòu)的剛度有顯著折減；但3-5#板的單梁標(biāo)定剛度較單梁理論剛度增大了18.3%，表明該橋的整體剛度受橫向整體性影響顯著。

3.3.2 橋梁結(jié)構(gòu)彈性

由監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算所得的皇姑屯橋回彈時(shí)間變化時(shí)程曲線如圖5所示，可見該橋的日均回彈時(shí)間為0.80s～0.85s；日最大撓度對(duì)應(yīng)回彈時(shí)間為0.98s～1.58s，與汽車在監(jiān)測橋跨上的行駛時(shí)間吻合。日最大回彈時(shí)間為2.00s～3.78s，主要分布于1.45s～2.20s 范圍內(nèi)，出現(xiàn)回彈時(shí)間較長的主要原因?yàn)橹剀囆旭偹俣容^慢及多輛重車連續(xù)通過。數(shù)據(jù)表明，梁體受到載荷作用后產(chǎn)生的變形能夠恢復(fù)，說明梁體處于彈性工作階段。

圖5 回彈時(shí)間變化時(shí)程曲線

3.3.3 橋梁橫向分布系數(shù)

結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)圖紙，通過有限元分析對(duì)皇姑屯橋梁在試驗(yàn)加載工況下的相對(duì)橫向分布系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)橫向分布系數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖6 相對(duì)橫向分布系數(shù)對(duì)比圖

由圖6可知，該橋橋梁橫向連接狀況和橫向整體性較差，特別是在2#板梁與3#板梁、5#板梁與6#板梁之間出現(xiàn)了實(shí)測值嚴(yán)重偏離理論值的情況，表明該橋梁的橫向連接出現(xiàn)問題。

3.4 數(shù)字化分析后的養(yǎng)護(hù)建議

由案例橋梁的數(shù)字化分析可知，皇姑屯橋梁存在一定的隱患，制定養(yǎng)護(hù)方案時(shí)需要特別注意以下問題：①由于皇姑屯橋剛度下降較多，應(yīng)及時(shí)采取加固措施提高橋梁剛度及抗彎能力；②對(duì)皇姑屯橋3-2#板梁與3-3#板梁、3-5#板梁與3-6#板梁之間的鉸縫進(jìn)行加固處理，提升上部結(jié)構(gòu)整體性的同時(shí)增強(qiáng)整體剛度，以改善受力分布不均勻的情況；③為了延長3-9#板梁使用壽命，建議采取預(yù)防性加固措施，提升該板梁的抗彎能力；④通過對(duì)載荷數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，皇姑屯橋梁上的超載車輛主要集中在每日20：00 至次日凌晨8：00 之間，建議將這一時(shí)段作為治超的重點(diǎn)時(shí)段。

4 結(jié)語

為了確保橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠反映橋梁的真實(shí)技術(shù)狀況，有必要推廣實(shí)施數(shù)字化技術(shù)在裝配式梁橋日常養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用。通過數(shù)字化分析，可對(duì)橋梁安全隱患進(jìn)行定性分析，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)資金的合理投入，有助于實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)方案的精準(zhǔn)度。此外，經(jīng)過長期不間斷的橋梁結(jié)構(gòu)受力特征檢測，能夠積累橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期的變化規(guī)律，從而為進(jìn)一步完善橋梁設(shè)計(jì)理論和施工提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。