某在役小箱梁橋監(jiān)測方案與安全評估方法研究

黃峰 王瑩 程仁慧 蔡笑飛 張鍇 程追 劉新民

摘 要：針對目前武漢市域內(nèi)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估相關(guān)研究不足的情況，以武漢市某高架箱梁橋為工程背景，通過安裝在橋梁結(jié)構(gòu)上的健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，概述了基于溫度場時空模型、基于豎向撓度分析及層次分析法的橋梁安全評估方法，對保證橋梁安全運營有著一定的理論價值和現(xiàn)實意義，可為同類橋梁健康狀況評估研究提供參考。

關(guān)鍵詞：小箱梁橋;健康監(jiān)測;溫度場;安全狀態(tài)評估;層次分析法

0 引言

現(xiàn)階段我國基礎設施建設仍在不斷發(fā)展中以滿足人們的生活和社會發(fā)展需要，其中橋梁結(jié)構(gòu)是基礎設施中最終要的組成部分，而橋梁結(jié)構(gòu)中的小箱梁橋由于其受力特點和經(jīng)濟適用性往往收到工程師們的青睞[1]。由于橋梁結(jié)構(gòu)長時間的服役狀態(tài)，容易收到環(huán)境因素（如：溫度和風速等）和人為因素（如：施工和形成等）的影響，進而導致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，因此橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評估研究顯得尤為重要[2-3]。目前學者們對小箱梁橋的安全狀態(tài)評估研究并不深入，存在著安全評估方法的選取以及設計優(yōu)化等問題[4-5]。

對橋梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)安全狀態(tài)評估必須依賴于對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，為了采集到這些數(shù)據(jù)需要在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝監(jiān)測系統(tǒng)，以便實時的獲取橋梁健康信息。且該監(jiān)測系統(tǒng)能夠力和物力去評估橋梁的健康狀態(tài)，同時也能不間斷的獲取進行橋梁監(jiān)測所需要的信息[6]。安徽大學和清華大學孫雅瓊等[7]針對合肥市高架橋依據(jù)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)建立了適用于該類型橋的一套評估方法

本文以武漢地區(qū)某在役混凝土小箱梁橋為研究對象，根據(jù)小箱梁的結(jié)構(gòu)特點，截面情況和所處的環(huán)境條件建立起適用于小箱梁的監(jiān)測方案，根據(jù)現(xiàn)場布置傳感器，后期利用計算機遠程下載、收集、處理和分析數(shù)據(jù)，我們利用采集的數(shù)據(jù)作為我們安全評估的指標，來建立適用小箱梁的評估方法，并把兩種方法都進行驗證，從而也能證明監(jiān)測方案的合理性。

1 小箱梁監(jiān)測測點的布置

1.1 工程概況

本節(jié)以武漢市某在役混凝土小箱梁橋為研究對象，所測共5跨，每跨長為25 m。為了獲取小箱梁實時的溫度數(shù)據(jù)、應力狀況和相對位移，我們在南側(cè)第一箱和中間一箱頂板、腹板和底板布設了溫度傳感器、振弦應變計和拉繩位移計。并且，將布置的傳感器所采集到的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測指標來對該小箱梁橋進行安全狀態(tài)評估[8]。

1.2 應變測點的布置

根據(jù)頻率響應范圍的不同，應變監(jiān)測又可分為靜態(tài)應變監(jiān)測和動態(tài)應變監(jiān)測，靜態(tài)應變反映了橋梁在長期荷載緩慢作用下強度儲備狀況，而動態(tài)應變包含了活荷載作用下十分豐富的頻率成分，結(jié)合靜、動應變數(shù)據(jù)進行分析能夠很好地反映實際運營橋梁在各種荷載作用下內(nèi)力發(fā)展歷程?？紤]到經(jīng)濟投入與工程應用，應變監(jiān)測測點的布置應力圖用較少的測點反映橋梁整體最危險截面應力變化。需要結(jié)合有限元仿真分析確定危險截面，選用電阻式應變計測量動應變，振弦式應變計測量靜應變，立面、斷面布置見圖1。

1.3 撓度和墩梁位移測點的布置

橋梁撓度變形主要是指受荷載作用影響，很多因素導致橋面比較嚴重的豎向變形，當橋梁處于自然環(huán)境且在服役過程中容易受到日照輻射以及大氣氣溫的影響，會產(chǎn)生相應的梁端位移。一旦結(jié)構(gòu)的撓度和位移產(chǎn)生較大的形變，將會對橋上的人車造成很大的威脅，因此采用精度較高的儀器對橋梁的撓度變形和位移定時監(jiān)測，對于把控橋梁建設質(zhì)量、掌握既有橋梁的運營狀態(tài)具有十分重要的作用。在所有的檢測設備中傾角儀可操作性強、成本低、受環(huán)境變化影響小，且測量精度高、工作量小，較適用于中小跨徑的梁式橋，其優(yōu)化布置圖如圖2。

1.4 環(huán)境參數(shù)及視頻測點的布置

由于環(huán)境溫度的影響會使得橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形和內(nèi)力[9]，因此，在對橋梁的安裝狀況進行評估時需考慮溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。目前，各國規(guī)范中對溫度梯度都有規(guī)定，因所處的地理環(huán)境不同，但是仍然不足以規(guī)范并不能反映該橋?qū)嶋H溫度。因此，獲取橋梁結(jié)構(gòu)在不同的溫度下的狀態(tài)可以用在橋梁相應的位置布設溫度傳感器來實現(xiàn)。根據(jù)溫度傳感器的作用原理不同，本橋選用數(shù)字型溫度傳感器來監(jiān)測小箱的溫度變化情況，其優(yōu)化布置見上圖3。

車輛荷載是公路橋梁的基本可變荷載之一，是橋梁疲勞劣化最主要的原因，對車輛荷載進行實時長期監(jiān)測能夠為橋梁安全狀態(tài)評估提供可靠依據(jù)，然而目前橋梁車輛荷載的監(jiān)測還停留在傳統(tǒng)的簡易短時半人工檢測階段。

由于考慮到外界環(huán)境和人為因素，實時監(jiān)測的設備都安裝在橋梁結(jié)構(gòu)之中，用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。各數(shù)據(jù)采集設備以傳感器類型為單元，將相應各類傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)集成在同一系統(tǒng)中，再通過連接DTU元件，將所有的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測平臺進行儲存。小箱梁橋的實時監(jiān)測系統(tǒng)選用SQL Server 2008r2模式平臺軟件作為數(shù)據(jù)管理中心，對各類監(jiān)測指標的數(shù)據(jù)進行儲存及分類管理，實現(xiàn)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化，并可通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)的分析來評估橋梁的安裝狀態(tài)。

2 安全評估方法研究

在對小箱梁橋進行長期監(jiān)測的過程中，實時監(jiān)測系統(tǒng)會通過監(jiān)測設備采集和儲存大量的各類安全監(jiān)測指標數(shù)據(jù)。通過計算分析各類監(jiān)測指標的數(shù)據(jù)，選用合適的評估方法，可鑒定城市箱梁橋在正常運營期間是否滿足使用功能和安全性的要求，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的損傷并給出相應的維修加固建議，以保證城市箱梁橋的安全運營。本文依托小箱梁橋的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用溫度場仿真模型和層次分析法評估該箱梁橋的安全運營狀況。

2.1 基于溫度場時空模型的橋梁安全評估

本文通過ANSYS建立該小箱梁橋有限元模型，把Hypermesh當成連接的平臺，轉(zhuǎn)換ANSYS與TAITherm。在Hypermesh劃分好有限元模型的網(wǎng)格后，將模型轉(zhuǎn)化nas文件為TAITherm讀取，導入其中進行有限元模型的拼接組合，賦予模型材料特性以及結(jié)構(gòu)層次。進而，導出有限元模型，利用Hypermesh轉(zhuǎn)化為ANSYS可讀取的格式，根據(jù)TAITherm中模型特點，對應完善模型命令流，為后續(xù)的溫度效應計算做好模型準備工作。

由從氣象部門搜集得到的諸如氣溫、風速、云量等氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建出TAITherm天氣文件，利用仿真模擬計算得出的溫度數(shù)據(jù)與實測結(jié)果進行對比，完善小箱梁橋有限元模型，得出符合全年武漢地區(qū)天氣條件的數(shù)值計算模型。本文計算溫度效應的流程為：首先ANSYS建立小箱梁的幾何模型，把Hypermesh作為中介，其次利用熱力學軟件建立仿真模型與實測對比;接著通過Matlab平臺將Taitherm中計算溫度場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度荷載，并施加在Ansys模型上;最后根據(jù)ANSYS模型計算出橋梁結(jié)構(gòu)的極端有效溫度和最不利溫度梯度[10]。

小箱梁橋墩頂支座處布置有豎向和徑向位移傳感器，通過實時監(jiān)測箱梁的變形情況，對豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及小波分析，濾除汽車荷載、風荷載等高頻部分，通過相關(guān)性分析，擬合小箱梁支座高度的變化曲線，預測支座的病害發(fā)生。對徑向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及時頻分析，通過相關(guān)性分析，擬合溫差作用下箱梁徑向位移的變化曲線，針對寒潮期間，該小箱梁橋梁端位移以及梁底應力的變化做出相關(guān)分析，通過小箱梁橋溫度場演化模型和通用結(jié)構(gòu)分析軟件，預測和評估夏季極熱和寒潮天氣情況下小箱梁橋的安全運營狀況。

2.2 基于層次分析法的橋梁安全評估

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的最終目標就是基于監(jiān)測系統(tǒng)中各項監(jiān)測指標產(chǎn)生的大量信息進行分析，由此來準確、有效、方便地判定結(jié)構(gòu)的健康狀況。在本文針小箱梁橋的實際情況，在全面考慮橋梁結(jié)構(gòu)中各監(jiān)測指標對橋梁整體結(jié)構(gòu)影響的基礎上，對橋梁進行了層次劃分，設置了安全評估層次分析模型，確定了不同指標的權(quán)重，并通過限值儲備量法確定了同一指標不同位置測點的權(quán)重，最終通過底層指標無量綱評價打分逐級向上，獲得橋梁整體結(jié)構(gòu)的評分，繼而確定橋梁所處等級及后續(xù)維護方法。首先應依據(jù)重要性、敏感性、獨立性、簡單性等原則確定箱梁橋評估指標，接著建層次結(jié)構(gòu)模型對其安全狀態(tài)進行評估，最后根據(jù)各指標權(quán)重分析判定指小箱梁的安全運營狀態(tài)，如圖4所示。

根據(jù)層次分析法，對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全狀態(tài)評估的流程可分為：

（1）將橋梁結(jié)構(gòu)的評估指標共分為三個層次，且確定各個等級所包含的指標參數(shù)及相關(guān)權(quán)重。

（2）對所采集到的各指標數(shù)據(jù)進行處理，并評估指標的分數(shù)。

（3）根據(jù)各指標分數(shù)計算出橋梁結(jié)構(gòu)的總分，進而確定橋梁結(jié)構(gòu)的安全等級。

其中本文根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)情況確定應變、變形和環(huán)境指標，分別為0.25、0.5和0.25，且最底層指標的權(quán)重均設置為0.5。

3 結(jié)論

本文通過在武漢市某混凝土橋梁的關(guān)鍵截面布設各種傳感器，完成了對該橋溫度、應力、撓度及位移等指標的實時監(jiān)測，并通過網(wǎng)絡通信技術(shù)對所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸與存儲，建立起適用于該類型橋的健康監(jiān)測方案，基于各類指標的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用建立溫度場仿真模型和層次分析法等安全評估方法對小箱梁橋的安全運營狀態(tài)進行評估。

（1）城市小箱梁橋所處地理環(huán)境復雜，且關(guān)于城市橋梁的安全事故時有發(fā)生，橋梁安全問題備受公眾的關(guān)注，本文通過對武漢市某混凝土高架橋展開研究，形成了一套經(jīng)濟、適用并且較為完備的健康監(jiān)測方案。

（2）在分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對城市箱梁橋進行安全評估時，可采用兩種方法進行評估，驗證各方法的評估結(jié)果，實現(xiàn)不同評估方法之間的優(yōu)勢互補，使評估結(jié)果更加準確。

參考文獻：

[1]Xuan J，Zhuo Y，Xiaodan H，et al. Proble ms in Bridge Health Monitoring and Application of Intelligent Monitoring Technology[J].IOP Conference Series： Earth and Environ mental Science，2019，267（5）：1-6.

[2]李瑞豐.基于監(jiān)測響應相關(guān)性的中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2020.

[3]劉玉貴.我國建筑工業(yè)化的發(fā)展和思考[J].廣州建筑，

2016，44（3）：8-12.

[4]周岳，朱毅，李高堂.橋梁智能化健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀分析[J].廣州建筑，2019，47（4）：3-7.

[5]毛琳，林旭，代力.中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估研究[J].公路工程，2020，45（5）：214-219.

[6]陶悅.新光大橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法與應用研究[D].華南理工大學，2012.

[7]孫雅瓊.基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁預警及安全評估方法研究[D].清華大學，2018.

[8]賀拴海，趙祥模，馬建，等.公路橋梁檢測及評價技術(shù)綜述[J].中國公路學報，2017，30（11）：63-80.

[9]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[10]雷笑，葉見曙，王毅，等.基于長期觀測的混凝土箱梁溫度與應變分析[J].江蘇大學學報（自然科學版），2010，

31（2）：230-234+239.