基于輕量化監(jiān)測的橋梁加固改造后評估方法研究

徐衍亮

(南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210014)

0 引言

橋梁既是土木工程領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是公路體系中關(guān)鍵的節(jié)點工程。截至2021 年年末，我國公路橋梁96.11 萬座、共7380.21 萬米，比上年末分別增加4.84 萬座、751.66 萬米。我國橋梁建設(shè)規(guī)?？焖侔l(fā)展的同時，已建成橋梁的服役年限也不斷增長，服役年限不斷增加意味著橋梁會由于材料性能退化等因素，導(dǎo)致出現(xiàn)各類病害、安全性風險。對于病害較為嚴重的橋梁，有針對性地進行加固改造對其持續(xù)健康運營起著極為重要的作用。雖然國內(nèi)外一些學(xué)者對橋梁加固進行了大量研究，但主要是關(guān)于技術(shù)的研究[1-4]。

橋梁加固效果受到施工條件、修復(fù)材料等因素影響。相關(guān)學(xué)者基于此做了大量的工作。王建民等[5]采用模糊層次分析法對橋梁進行評價，并通過工程實例證明了模糊層次分析法在橋梁綜合評價中的可行性。黃超等[6]針對廈門后溪長途汽車站平移工程實例，利用模糊層次分析和模糊綜合評判法建立建筑平移工程風險評估模型，對平移施工中的風險進行評估和規(guī)避。

總的來說，目前加固改造后的橋梁往往僅通過外觀觀測或簡單儀器來定性判斷加固改造質(zhì)量，缺乏一種有效的后評價方法對加固改造橋梁進行長期有效的效果評估，因此有必要采取一套科學(xué)客觀的評估方法對加固改造橋梁進行定性評價。近年來，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)作為保障在役橋梁安全的重要手段在全國被大量推廣，而輕量化監(jiān)測的推出在此基礎(chǔ)上進一步解決了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的經(jīng)濟性問題，使監(jiān)測系統(tǒng)在中小橋梁的應(yīng)用成為可能[7-8]。因此，本文提出了一種基于輕量化監(jiān)測的橋梁加固改造后評估方法，能夠有效地檢驗橋梁加固改造后的技術(shù)指標，填補了當前加固改造橋梁在定性評價方面的空白。

1 監(jiān)測內(nèi)容

對于加固改造橋梁，此次研究重點關(guān)注其強度、穩(wěn)定性以及運營過程中的交通情況。因此，本文提出了通過橋梁的撓度變化、應(yīng)力應(yīng)變以及交通流量來實現(xiàn)加固改造橋梁的定量評估。加固后評估的監(jiān)測方法主要包括橫向剛度監(jiān)測、交通流量監(jiān)測以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

1.1 橫向剛度監(jiān)測

監(jiān)測目的：當出現(xiàn)接縫縱向開裂、橫隔板開裂及頂、底板縱向裂縫等病害時，橋梁很可能存在橫向聯(lián)系減弱、橫向剛度降低、梁體的受力不均等問題，需要利用粘貼橫向鋼板或橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板等方式進行處治。通過橫向剛度監(jiān)測，可以為分析加固改造前后橋梁的橫向連接性能提供依據(jù)，保證橋梁橫向受力的均勻分布。

監(jiān)測設(shè)備：光電撓度儀+光電標靶（同截面布置）。

監(jiān)測方法：在梁端固定點安裝光電撓度儀并調(diào)整角度，使之能對準跨中梁底橫向布置的多個光電靶標。通過橫向?qū)Ρ炔煌恢锰幍呢Q向變形大小，分析梁段的橫向連接穩(wěn)定性及協(xié)同受力變形情況。

1.2 交通流量監(jiān)測

監(jiān)測目的：車輛荷載為橋梁運營期的主要荷載，且超載車輛是造成橋梁破壞和影響橋梁壽命的主要因素，對橋梁結(jié)構(gòu)實際所受荷載進行分析,可使橋梁健康監(jiān)測更加直接、可靠。監(jiān)測橋梁交通荷載，進行車流、車道、車型識別，統(tǒng)計分析荷載規(guī)律和交通流特征，為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的比較分析提供數(shù)據(jù)支撐。

監(jiān)測設(shè)備：車流量攝像頭。

監(jiān)測方法：在橋面安裝車流量攝像頭。動撓度傳感器實時獲取動撓度監(jiān)測值，發(fā)現(xiàn)撓度超限情況時，利用車流量攝像頭抓拍橋梁通行超重車輛，并通過車流量大小和主梁撓度的相關(guān)分析，為及時、直觀評價橋梁的狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，為評價橋梁的適用性和耐久性提供依據(jù)。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

監(jiān)測目的：病害情況嚴重的上部結(jié)構(gòu)需要通過更換新梁的措施對橋梁進行加固改造以確保安全使用。在新梁澆筑前可預(yù)埋嵌入式鋼筋計，監(jiān)測梁底縱向主筋應(yīng)力，了解梁體內(nèi)部受力情況并與外部混凝土的表貼式應(yīng)變計數(shù)值比較，多維度評估梁體受力情況。

監(jiān)測設(shè)備：應(yīng)變計+鋼筋計。

監(jiān)測方法：在新?lián)Q梁底內(nèi)部縱向鋼筋上安裝埋入式鋼筋計，監(jiān)測內(nèi)部鋼筋應(yīng)力大小；在對應(yīng)位置的外部混凝土表面安裝表貼式應(yīng)變計，監(jiān)測外部混凝土應(yīng)力。對兩類應(yīng)力進行對比評估，以得到梁體的內(nèi)外應(yīng)力分布情況和變化趨勢。

2 采集傳輸方式

在標準化的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，橋址現(xiàn)場處需要布置體積龐大的專用工業(yè)控制計算機，運輸和安裝都極為不便。此外，為滿足各種監(jiān)測傳感器的需求，工控機還需搭載各種擴展接口，如RS232、RS485等，集成度低，板卡插件太多，組織復(fù)雜，易出現(xiàn)問題。以往，這種工控機為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了有效的采集傳輸方式，但隨著計算機系統(tǒng)小型化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)控制計算機系統(tǒng)凸顯出成本太高、系統(tǒng)可適應(yīng)性差等諸多缺陷，難以適應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場復(fù)雜、惡劣的環(huán)境。

應(yīng)用基于4G-DTU 的無線遠端采集系統(tǒng)，無線傳輸無需設(shè)立采集站，工程成本低、施工便利。根據(jù)目前健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，輕型化監(jiān)測系統(tǒng)適用于通過串口傳輸數(shù)據(jù)的長期低頻、短期高頻采樣傳感器，如應(yīng)變計、光電撓度儀、加速度傳感器等使用串口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。輕型化監(jiān)測系統(tǒng)首先對DTU 進行設(shè)置，設(shè)置要連接的中心IP 和端口及其他必要性的設(shè)置，設(shè)置好后傳感器或采集設(shè)備通過RS485 接口和DTU 相連，DTU 上電之后根據(jù)事先設(shè)置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數(shù)據(jù)。選用能聯(lián)網(wǎng)的工作站（接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，能夠進行外網(wǎng)訪問），如運行中心軟件的工作站在局域網(wǎng)里面，就要在局域網(wǎng)路由器做端口映射到本地工作站，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO或組態(tài)軟件，開放一個端口，運行相關(guān)軟件等待DTU的連接。DTU 連接中心后，就可按要求進行傳輸數(shù)據(jù)，中心收到數(shù)據(jù)后，通過系統(tǒng)進行解密、過濾、篩選，最終獲得所需要的數(shù)據(jù)。通道建立成功后，DTU 串口實時監(jiān)控采集器的數(shù)據(jù)，只要串口有數(shù)據(jù)過來，DTU將全透明進行實時傳輸。如果數(shù)據(jù)量小或需要定時傳輸數(shù)據(jù)的，DTU 可選數(shù)據(jù)激活、電話呼叫或短信激活等模式，或根據(jù)實際應(yīng)用也可考慮修改軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。這樣就可靈活應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)傳輸需求來采取不同的傳輸方式，以減少及節(jié)約不必要的傳輸費用。

3 應(yīng)用案例

3.1 橋梁概況

南京市G205 龍池立交橋（左幅橋）位于G205 寧連公路，橋梁建成于1995 年，設(shè)計荷載等級為汽-20 級，掛-100。管養(yǎng)單位為南京市公路事業(yè)發(fā)展中心。

該橋為單幅橋，橋梁全長490.0m，橋面全寬11.75m。上部結(jié)構(gòu)跨徑布置由北往南為（6×21）m+（21+34+36+21）m+（5×21）m+21m+（3×21）m+（3×21）m，共22 跨。其中，跨越六合大道的為（21+34+36+21）m 的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱連續(xù)梁，其余橋跨為21m 鋼筋混凝土簡支T 梁，橫斷面由7 片梁組成，T梁和T 梁間連接形式為鉸接。

3.2 監(jiān)測方案

龍池立交橋在定期檢測時被發(fā)現(xiàn)部分T 梁存在嚴重開裂，危及結(jié)構(gòu)安全，于是進行了針對性的加固搶修。加固改造方案的主要內(nèi)容包括更換開裂嚴重的T 梁，重做T 梁拼接縫以及T 梁粘貼鋼板加固。因此，在龍池立交健康監(jiān)測系統(tǒng)中，對更換的T 梁構(gòu)件及周圍梁段和橫隔板進行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，從而實時了解梁段應(yīng)力分布，進行新舊構(gòu)件受力狀況對比，并跟蹤應(yīng)力變化趨勢。此外，還密切關(guān)注了加固改造梁段的幾何線形及其變化，以及匝道區(qū)域交通流量、荷載情況，研究撓度變化與交通荷載的關(guān)系，為橋梁工作狀態(tài)動態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評估提供資料。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)總體布點圖見圖1。

圖1 龍池立交橋傳感器總體布置圖

3.3 分析評價

本文從應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢和主梁撓度的對比兩方面對加固后的龍池立交橋做出了分析評價，具體結(jié)論如下。

3.3.1 主梁撓度

龍池立交橋的主梁撓度變化原因除了車輛荷載之外，還受溫度荷載影響。9：00～17：00 主梁跨中撓度逐漸減小，17：00～次日9：00 主梁跨中撓度逐漸增加，同時熱脹冷縮也會導(dǎo)致梁端發(fā)生縱向位移、支座出現(xiàn)剪切變形。因此，建議平時應(yīng)加強對伸縮縫和支座的檢測。

從圖2 可以看出每天5:00～23:00 主梁跨中撓度出現(xiàn)明顯波動，因此可以判斷出該橋車輛的通行時間主要分布在每天的5:00～23:00，而23:00～次日5:00車輛通行較少。

老梁跨中撓度大于更換的新梁，即更換的新梁相比老梁的整體剛度有一定程度的提升（見圖2）。

圖2 龍池立交橋跨中撓度對比圖

同跨兩片新更換的梁跨中撓度變化趨勢基本相同，相同截面的各新?lián)QT 梁的剛度基本保持一致。

3.3.2 應(yīng)力應(yīng)變

新?lián)QT 梁腹板跨中位置處內(nèi)外部應(yīng)力變化趨勢基本一致，內(nèi)部鋼筋應(yīng)力數(shù)值顯著大于外部混凝土應(yīng)力。

新?lián)Q兩片T 梁支點位置處腹板內(nèi)鋼筋應(yīng)力相比澆筑前初始應(yīng)力增長較大，應(yīng)力變化基本一致，靜應(yīng)力波動不超過5MPa。

同一跨跨中截面上各片T 梁的腹板外表面混凝土應(yīng)力變化趨勢保持一致，靜應(yīng)力波動不超過2MPa（見圖3）。

圖3 龍池立交橋應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)語

本文提出了一種基于輕量化監(jiān)測的橋梁加固改造后評估方法，通過橫向剛度監(jiān)測、交通變形監(jiān)測及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，實現(xiàn)了加固改造橋梁的有效定性評估，并在龍池立交橋上進行了應(yīng)用驗證。通過對龍池立交橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，該方法實現(xiàn)了對加固效果的量化分析，取得了一定成果。

對于未來的進一步研究，可以在加固前后持續(xù)監(jiān)測并進行比對，進一步挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，識別結(jié)構(gòu)變化特征，并據(jù)此對監(jiān)測方法和位置進行敏感性分析，從而優(yōu)化監(jiān)測方案設(shè)計，提升數(shù)據(jù)分析效用。長期來看，在加固改造完成后進行性能驗證，既能反饋加固設(shè)計，形成良性循環(huán)，也能指導(dǎo)今后加固方案設(shè)計，提升加固改造前期設(shè)計的科學(xué)性和合理性。