中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估研究

毛 琳, 林 旭, 代 力

(1.江西省交通科學(xué)研究院，江西 南昌 330200；2.長大橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，江西 南昌 330200；3.南昌市公路管理局，江西 南昌 330000)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)進程不斷加快，我國交通運輸業(yè)得到了長足發(fā)展。但是，隨著交通運輸運力的不斷增長，各級公路上的行車密度及車輛載重也日益增加，這使得相當(dāng)一部分的既有公路橋梁已經(jīng)無法滿足交通運輸?shù)男枨?，特別是量多面廣的中小跨徑橋梁表現(xiàn)尤為突出[1]。對既有橋梁結(jié)構(gòu)特別是中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)進行安全狀態(tài)評估和實時健康監(jiān)測迫在眉睫。目前，橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估和預(yù)警大都通過在橋梁結(jié)構(gòu)上安裝傳感器等監(jiān)測設(shè)備，對橋梁運營狀態(tài)及相關(guān)物理量進行長期實時監(jiān)測[2-3]。但是，國內(nèi)外對橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測的對象大都針對特大型、大型橋梁以及造型獨特地位重要的中小跨橋梁[4]，對于基數(shù)眾多的普通中小跨徑橋梁健康監(jiān)測的相關(guān)研究還鮮有研究者涉足。

為了解中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)在運營期間安全狀態(tài)，開展中小跨徑橋梁監(jiān)測相關(guān)研究，基于萬埠大橋及其長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，采集實時監(jiān)測的橋梁應(yīng)變、撓度(傾角)數(shù)據(jù)，通過無模型指標(biāo)法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得橋梁結(jié)構(gòu)實際運營過程中的安全狀態(tài)，為橋梁管養(yǎng)提供依據(jù)，也為將來我國對眾多中小跨徑橋梁的長期健康監(jiān)測積累經(jīng)驗。

1 工程概況

萬埠大橋位于105國道江西省安義縣萬埠鎮(zhèn)境內(nèi)，橋長586.08 m，全橋跨徑布置為：18×30 m(小箱梁)+2×20 m(空心板)，上部結(jié)構(gòu)為簡支結(jié)構(gòu)，萬埠大橋斷面圖如圖1所示。

2 萬埠大橋監(jiān)測系統(tǒng)概況

目前，應(yīng)用于長大橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)往往造價昂貴，后期運營維修成本高，不適用于中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。但是，我國中小跨徑橋梁基數(shù)大，事故發(fā)生頻率高，對其進行長期監(jiān)測不容忽視。因此，有必要對中小跨徑橋梁監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測指標(biāo)開展相關(guān)研究。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測指標(biāo)

監(jiān)測對象的選擇是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中至關(guān)重要的一步[5]，對于中小跨徑橋梁，其所監(jiān)測的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)易于測量、能直接反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)且易于判斷橋梁實際狀態(tài)。根據(jù)中小跨徑橋梁4種主要病害，同時兼顧監(jiān)測成本及可操作性，選擇相關(guān)監(jiān)測目標(biāo)。本文以橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變作為基本監(jiān)測內(nèi)容，具體監(jiān)測目標(biāo)見表1。

2.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

基于實用性、可靠性以及經(jīng)濟性原則，設(shè)計萬埠大橋長期監(jiān)測系統(tǒng)。其中，由于系統(tǒng)中傳感器種類、數(shù)量較多，為保證橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中各部件穩(wěn)定運行且監(jiān)測數(shù)據(jù)可以高效傳輸，在構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)時，將整個監(jiān)測系統(tǒng)分3大部分：第1部分由103個應(yīng)變傳感器單獨成網(wǎng)，通過RS485網(wǎng)絡(luò)其串接；第2部分包括角度儀(4個)、拾振器(4個)、溫濕度計(1個)等傳感器，其同樣通過RS485網(wǎng)絡(luò)連接；第3部分為槍機模塊(10臺)，由于槍機數(shù)目眾多且分布較散，采用一條12芯的光纜將所有的槍機連接，經(jīng)過處理的有效視頻數(shù)據(jù)通過光纜傳輸至管養(yǎng)部門專網(wǎng)中，具體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2，萬埠大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

表1 萬埠大橋監(jiān)測項目選擇表Table 1 Monitoring Project Selection of Wanbu Bridge序號項目選擇情況備注1應(yīng)變選擇測量梁板應(yīng)力2撓度選擇選用其中1跨實現(xiàn)橋梁撓度監(jiān)測3裂縫未選擇裂縫隨機,布設(shè)難度較大,故不取4振動選擇用于定期采集和分析中小跨徑橋梁振動特性,分析結(jié)構(gòu)前后變化情況,對橋梁狀態(tài)進行評估

圖2 萬埠大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Network topology of Wanbu Bridge structural health monitoring system

圖3 萬埠大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)測點布置圖Figure 3 Measuring point layout of Wanbu Bridge structural health monitoring system

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)評估分析方法

近年來，隨著人們對橋梁建造及運營安全越來越重視，橋梁安全狀態(tài)評估方法的研究與應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注和大量研究，其評估方法也越來越多，主要包括：常規(guī)綜合評估、層次分析、專家系統(tǒng)評估以及荷載試驗評估等[6-8]。以上方法大多應(yīng)用于大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析評估，其計算過程較為繁復(fù)。為簡化計算步驟，提高數(shù)據(jù)分析效率，本文采用無模型指標(biāo)訓(xùn)練法對中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，進而對中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進行評估。無模型指標(biāo)訓(xùn)練法是損傷預(yù)警理論中的一種分析方法，基本原理為：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，即橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷為小概率事件，則數(shù)據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的預(yù)警值也是眾多正常數(shù)據(jù)中的小概率事件。

天氣、噪聲、交通荷載等多方面因素易對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響，采用單個變量無法準(zhǔn)確反映橋梁的真實狀態(tài)。其中，作為重要影響因素之一的橋梁交通荷載，其看似隨機分布，但從較長時間看，其仍然符合正態(tài)分布規(guī)律。因此，為減少各種因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，同時為了準(zhǔn)確反映監(jiān)測數(shù)據(jù)離散程度，本文采用均值和標(biāo)準(zhǔn)差組合成置信區(qū)間，選取橋梁結(jié)構(gòu)在不同時間單位中參數(shù)均值作為研究對象，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計分析，其計算公式見式(1)、式(2)。

(1)

λ1≤δt≤λ2

(2)

3.2 安全閾值確定

為確定萬埠大橋結(jié)構(gòu)預(yù)警的安全閾值，根據(jù)式(1)、式(2)對萬埠大橋在2018年上半年實測數(shù)據(jù)結(jié)果(應(yīng)變、傾角)進行分析計算。

a.應(yīng)變閾值。

萬埠大橋共布置應(yīng)變計103個，采集頻率0.5

Hz。選取測點Ybj-2、Ybj-50、Ybj-90在2018年1月—4月的應(yīng)變統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示。

對萬埠大橋在2018年1月—4月4個月應(yīng)變實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)公式(1)可得應(yīng)變均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及安全閾值，結(jié)果如表2所示。

圖4 1月—4月各測點應(yīng)變平均值Figure 4 Average strain at each measurement point from january to april

表2 萬埠大橋各測點應(yīng)變安全閾值Table 2 Strain safety thresholds of Wanbu Bridgeμε參數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差安全閾值測點Ybj-2-9.5759.415[-47.234,28.085]測點Ybj-50-27.739.868[-67.203,11.743]測點Ybj-90-30.2743.388[-203.824,143.283]

b.撓度閾值。

萬埠大橋上傾角儀共3個，分別布置在第一跨2、3、6片梁體上，采集時間間隔12 s，采樣頻率5 Hz。選取2018年2月—6月傾角數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 2月—6月份各測點傾角平均值Figure 5 Average inclination of each measuring point from february to june

對萬埠大橋在2018年2月—6月5個月傾角實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)公式(1)可得應(yīng)變均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及安全閾值，結(jié)果如表3所示。

表3 萬埠大橋各測點撓度安全閾值Table 3 Deflection safety threshold of Wanbu Bridge(°)參數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差安全閾值測點Qjy-1X方向-0.9240.010[-4.783,-0.965]Y方向-0.1840.005[-0.998,-0.204]測點Qjy-2X方向0.1240.005[0.542, 0.104]Y方向-0.5340.015[-2.909,-0.594]測點Qjy-3X方向-0.2540.005[-1.348,-0.274]Y方向-0.3020.004[-1.574,-0.318]

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估

為確定萬埠大橋安全狀態(tài)并進行安全評估，在確定其安全閾值后，對萬埠大橋2019年1月—3月各測點應(yīng)變及傾角數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將實測值與安全閾值進行對比，獲得萬埠大橋結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可得，經(jīng)過2018年—2019年的運營，萬埠大橋應(yīng)變值仍小于安全閾值，且有一定安全儲備；橋梁結(jié)構(gòu)傾角值也均小于安全閾值，但測點1和測點3處，結(jié)構(gòu)Y方向傾角值與安全閾值上限較為接近，需要對該測點進行重點監(jiān)控與排查。

(a)Ybj-2應(yīng)變數(shù)據(jù) (b)Ybj-50應(yīng)變數(shù)據(jù) (c)Ybj-90應(yīng)變數(shù)據(jù)

(a)Qjy-1X方向傾角數(shù)據(jù) (b)Qjy-2X方向傾角數(shù)據(jù) (c)Qjy-3X方向傾角數(shù)據(jù)

(d)Qjy-1Y方向傾角數(shù)據(jù) (e)Qjy-2Y方向傾角數(shù)據(jù) (f)Qjy-3Y方向傾角數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文依托萬埠大橋長期健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究背景，通過無模型指標(biāo)訓(xùn)練法對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)中應(yīng)變、撓度(傾角)結(jié)果進行分析并進行安全狀態(tài)評估。通過研究分析，所得結(jié)論為：

a.本文中健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對中小跨徑橋梁的長期健康監(jiān)測，其可對健康監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時采集和高效傳輸。

b.對于中小跨徑橋梁的安全狀態(tài)評估，采用無模型指標(biāo)訓(xùn)練法可以高效快速的確定其安全閾值。

c.通過將實測值與安全閾值進行對比分析，經(jīng)過2018年—2019年的運營，萬埠大橋應(yīng)變及撓度(傾角)實測值均在安全區(qū)間內(nèi)，其安全狀態(tài)良好。