基于監(jiān)測數(shù)據的橋梁病害支座工作狀況識別與評估

■張 瑋

（1.福建省建筑工程質量檢測中心有限公司，福州 350001；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350001）

橋梁支座是橋梁結構的重要組成部分，不僅承擔著傳遞上部結構荷載及減震隔振的功能，其工作性能的好壞也將直接影響主梁的變形性能與橋梁的運營安全[1]。 目前，絕大多數(shù)橋梁的支座檢查均采用人工定期檢測的方式，存在主觀性較強、實時性較差等缺點，因此許多橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)都將支座位移納入到實時監(jiān)測參數(shù)中，搜集到了豐富的支座監(jiān)測數(shù)據[2]。 相關研究采用相關性分析、回歸分析、主成分分析、時間序列分析等方法對支座位移監(jiān)測數(shù)據進行了研究[3-6]，結果表明正常情況下溫度是影響支座縱向位移的主要因素，且位移與溫度之間存在良好的線形關系。 同時也有研究也指出，在橋梁長期運營過程中支座不可避免地會出現(xiàn)老化、銹蝕、脫空、變形超限等問題，各類病害均會對支座的位移特性產生影響[7-11]。 綜上所述，為更好地識別支座的病害程度、評估支座的使用性能，有必要專門針對橋梁支座（特別是已出現(xiàn)病害的支座）的位移監(jiān)測數(shù)據進行深入分析研究。

1 工程概況

某斜拉橋創(chuàng)新性地采用了鋼拱塔的結構形式，通過呈空間扇形排列的斜拉索與預應力混凝土主梁相連。 該橋修建于2010 年，設計荷載為：城-A級，人群荷載3.5 kN/m2。 橋梁跨徑布置為（50+60+110+110+60+50）m，橋面總寬29.5 m，布置有兩側人行道和雙向4 車道。 橋面縱向西岸設置2.2%縱坡，東岸設置2.4%縱坡。 全橋橋面連續(xù)，在兩側橋臺設置伸縮縫。 橋梁結構布置如圖1 所示。

為實時掌握該特殊結構橋梁的運營狀態(tài)，橋上安裝了一套結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，布置有各類傳感器200 余個，用于監(jiān)測橋梁的振動、索力、傾斜、裂縫、溫度、支座位移以及橋面交通荷載等指標，系統(tǒng)于2020 年9 月正式上線運行。

2 支座監(jiān)測方法及測點布置

該橋支座采用GPZ（II）盆式橡膠支座，1#～5#墩上共布置10 個支座， 其中固定支座位于主塔3#墩。在以往的檢測中，發(fā)現(xiàn)該橋各支座存在不同程度的偏位、組件銹蝕和橡膠變形擠出現(xiàn)象。 支座參數(shù)、病害情況及測點編號如表1 所示，部分支座病害情況照片如圖2 所示。 健康監(jiān)測系統(tǒng)中共布設支座位移測點15 個，其中支座縱向位移測點10 個、支座橫向位移測點5 個，支座監(jiān)測測點布置及編號如圖3所示。

表1 支座參數(shù)、病害情況及測點編號匯總

圖2 支座病害

圖3 支座監(jiān)測測點布置及編號示意圖

支座的位移采用振弦式位移計進行監(jiān)測，位移計的兩端通過支架分別固定于梁底與墩頂，采樣頻率1 次/h。 本文中所用位移監(jiān)測數(shù)據均為支座位移的相對值變化，即以位移計安裝時（2020 年8 月）的讀數(shù)為零。 支座位移測點布置如圖4 所示，當主梁向東側移動時（即支座上盤相對下盤往東岸方向移動時），位移計讀數(shù)增大；反之，位移計讀數(shù)減小。

圖4 支座位移測點布置

3 支座位移監(jiān)測情況

該橋支座均為同類型的盆式橡膠支座， 且變形方向主要以縱向滑動為主，因此可以通過不同支座監(jiān)測數(shù)據間的對比和分析，來識別和評估支座使用性能的變化情況。 本研究以2021 年5 月1 日—2022 年4 月30 日一整年的支座縱向位移監(jiān)測數(shù)據為研究對象，即每個位移測點包含24×365=8760 條數(shù)據。其中5#墩支座VDC-2 測點與2#墩支座VDN-1測點位移大小與氣溫的時程數(shù)據如圖5 所示。

圖5 5# 墩支座VDC-2 與2# 墩支座VDN-1 測點位移時程圖

圖5 位移時程結果可歸納出2 個明顯特征：（1）當氣溫升高時，主梁以3# 固定墩為中心向東、西兩側縱向伸長， 導致東岸側的2#墩支座VDN-1位移計讀數(shù)增大（與溫度正相關），而位于西岸側5#墩支座VDC-2 的讀數(shù)減小（與溫度負相關），表明兩支座位移與溫度間均存在相關關系，這一特征與正常支座相同；（2）支座位移曲線呈現(xiàn)出跳躍和不連續(xù)，即支座位移在大部分時間里都幾乎保持不變，只有在少數(shù)幾個時刻突然出現(xiàn)毫米級的變化；這一特征又與正常支座不同，因為主梁的熱脹冷縮一般是隨著溫度而緩慢變化的，反映到支座位移上也應是如此。

產生這一反常現(xiàn)象的原因是5# 墩支座VDC-2與2# 墩支座VDN-1 均存在組件銹蝕與退化，導致支座上下盤間存在較大的靜摩擦力，對主梁的縱向伸縮產生了一定程度的約束作用。 當主梁伸縮積累的力小于支座的靜摩擦力時，支座不會滑動，位移監(jiān)測值幾乎保持不變；只有當積累的力大于靜摩擦力時，支座才會滑動至新的位置重新平衡。 由于靜摩擦的釋放與平衡通常是在較短的時間內完成的，小于監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率（1 次/h），因此在滑動前、后兩個時刻的位移監(jiān)測數(shù)據通常會有毫米級的差別，從而使支座位移的時程曲線出現(xiàn)跳躍和不連續(xù)。

而支座的靜摩擦力越大，對主梁的約束程度就越明顯。 通過圖3 中5# 墩支座VDC-2 與2# 墩支座VDN-1 的數(shù)據對比來看，5#墩VDC-2 測點處支座的滑動次數(shù)更少但跳躍幅度更大，表明該支座的靜摩擦力更大，故5# 墩VDC-2 測點處支座的工作狀況較2# 墩VDN-1 差。 上述分析表明，可以用支座的位移幅值、與溫度的相關性以及跳躍變化的幅度和次數(shù)等指標，來客觀反映橋梁病害支座的工作狀況。

4 支座位移數(shù)據分析

4.1 位移幅值分析

位移幅值反映各支座在1 年之內相對滑動的大小，這里采用如圖6 所示的箱線圖來表示。

圖6 支座位移箱線圖

圖6 中10 個位移幅值箱體均由10 個支座縱向位移測點的8760 條監(jiān)測數(shù)據生成， 位移幅值箱體自上而下的5 條線分別為數(shù)據的最大值、上四分位值（75%）、中位值、下四分位值（25%）和最小值。由圖6 可知：（1）3#墩支座VDJ-1 和VDJ-2 測點箱體的高度很小，表明其全年位移幅值很小，這與縱向固定支座的位移特征相符；（2）4# 墩支座VDE-1和VDE-2 測點本為縱向滑動支座， 應與對稱的2#墩支座VDN-1 和VDN-2 類似，當實測位移幅值很小，表明4# 墩支座已無法正常工作，這與現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的橡膠變形擠出等較為嚴重的病害（圖2（b））相匹配；（3）其余6 個支座的箱體高度較大，且最大、最小值的距離較遠，表明其均有縱向滑動，但5# 墩支座VDJ-1 和VDJ-2 測點的箱線圖高度要明顯小于對稱的1#墩支座VDP-1 和VDP-2 測點， 這意味著4#墩支座的卡死已對主梁的縱向伸縮產生影響。

4.2 位移—溫度相關性與回歸分析

在支座的人工檢測中，一般只能對支座的病害程度進行定性描述，而通過位移—溫度的相關性和回歸分析，不僅可以建立支座縱向位移與溫度間的函數(shù)關系，還可以定量地比較支座工作狀態(tài)的好壞。 可用相關系數(shù)R 表征支座位移與溫度相關程度的強弱，相關系數(shù)R 越接近＋1，說明正相關性越強；接近－1，說明負相關性越強；越接近0，表示相關性越弱。 在此基礎上，進一步采用線性回歸分析建立支座位移與溫度之間的函數(shù)關系。 線性回歸方程表達式為：

式（1）中，d 為支座位移/mm；T 為大氣溫度/℃；α、 β 為回歸系數(shù)，可通過最小二乘法計算得出。

同樣以上述5# 墩支座VDC-2 和2# 墩支座VDN-1 兩測點為例， 繪制的支座位移—溫度相關關系圖如圖7 所示。 由圖7 可知，盡管兩支座的位移幅值接近，相關程度卻有較明顯的區(qū)別：2 張圖中均存在大量沿水平分布的點，表明因靜摩擦力的存在限制了支座位移，一定范圍內的位移與溫度間幾乎不存在相關性；但從全年數(shù)據上來看相關性依然存在，各條水平線的分布仍隨溫度的變化而變化。5#墩支座VDC-2 圖中水平線上下間距較大， 對溫度的變化更不敏感， 故5#墩支座VDC-2 的相關系數(shù)要小于2#墩支座VDN-1。由于5#墩支座VDC-2測點處的病害程度要大于2# 墩支座VDN-1，因此支座的病害程度與位移—溫度的相關系數(shù)和回歸系數(shù)呈反比。

圖7 支座縱向位移—溫度相關關系圖

依此類推，分別對全橋10 個監(jiān)測支座的縱向位移進行相關性分析和回歸分析， 所得結果列于表2中，由此可知：（1）位移幅值較小的3#墩支座VDJ-1和VDJ-2 與4# 墩支座VDE-1 和VDE-2， 其回歸方程的回歸系數(shù)α 和β 也很小，且相關系數(shù)R 大多小于可縱向滑動的支座；（2）結合表1 的支座布置可知，3#墩支座VDJ-1 和VDJ-2 測點支座工作正常，但4# 墩支座VDE-1 和VDE-2 測點處支座幾乎卡死；（3）3# 墩西程側支座的回歸系數(shù)α 與相關系數(shù)R 均為負數(shù)，而東岸側均為正數(shù)，表明各支座滑動方向與主梁的熱脹冷縮的趨勢一致；（4）3# 墩東岸側支座的回歸系數(shù)α 與相關系數(shù)R 均大于西岸側，說明東岸側支座的工作狀態(tài)總體上好于西岸側。

表2 支座位移-溫度相關系數(shù)及回歸方程

4.3 位移空間相關性分析

該橋的主梁為全連續(xù)結構，則理想情況下位于同一橫截面上的2 個支座或位于同一縱截面上的5 個的縱向位移應該具有空間相關性：例如5# 墩支座VDC-1 在（t－1）至t 時刻之間發(fā)生了大小為的縱向位移，那么位于同一橫截面的5#墩支座VDC-2也會發(fā)生的位移； 與5# 墩VDC-1 對稱的1#墩VDP-1 應在同一時間區(qū)間發(fā)生大小為的縱向位移，且4# 墩VDE-1 與2# 墩VDN-1 的位移值也會呈比例變化。

因本文中的原始位移監(jiān)測數(shù)據均為相對位移的累計值，為獲得每個時間區(qū)間內（每個小時內）位移量dt′，需要將各支座的監(jiān)測數(shù)據做如下式所示的處理：

每個支座8760 條監(jiān)測數(shù)據可計算得到8759條每h 位移量數(shù)據（），為研究支座縱向位移的橫向空間相關性，本文采用文獻[12]介紹的平行坐標圖方法將5# 墩上支座的每h 位移量繪于圖8（a）中，具體做法為：先將VDC-1、VDC-2 的每h 位移量（）分別標于圖中第1、第2 個縱坐標軸上，再用線條將兩縱軸上同一編號的位移量相連（VDC-1 的與VDC-2 相連，依此類推），最后通過線條的分布情況來判斷數(shù)據之間的相關性、趨勢與異常值。

若同一橫截面上的支座同步變化，則反映在平行坐標圖上應為幾乎平行的數(shù)條直線（強正相關關系），但圖8（a）中的線條分布情況顯然與此相悖。如圖所示，當某個時間段內5# 墩VDC-1 支座滑動11.5 mm 時，對應時刻5# 墩VDC-2 的位移卻幾乎為0。 這是因為5#墩VDC-1 與5#墩VDC-2 支座的病害程度有所區(qū)別，導致兩支座間的靜摩擦力并不相同，從而造成了支座滑動的不同步。 由2#墩VDN-1與VDN-2 支座每小時位移繪制的平行坐標圖中（圖8（b）），相同的現(xiàn)象也頻繁出現(xiàn)。

圖8 位移橫向空間相關性平行坐標圖

同理， 可將平行坐標圖推廣到同一縱截面的5 個支座上，以觀察支座位移的縱向空間相關性。圖9 將5# 墩VDC-2～1# 墩VDP-2 共5 個支座的每h 縱向位移量（d2′～d′8760）分別繪于5 個縱坐標軸上，圖上每根線條均分別連接同一時間段內的5 個支座位移。 與橫向空間相關性分析結果類似，縱截面上各支座的變形也并不協(xié)調，支座的滑動時刻、滑動幅度均表現(xiàn)出較強的隨機性。 例如，深色線表示5# 墩VDC-2 支座發(fā)生7.6 mm 位移時，對稱位置的1# 墩VDP-2 支座位移卻并無明顯變化，且4# 墩VDE-2 與2# 墩VDN-2 的位移也明顯不同。特別是4# 墩VDE-2 支座， 無論其他支座如何變化，其每h 縱向位移一直維持在較小值，表明該支座的工作狀態(tài)呈現(xiàn)明顯異常（即支座卡死），支座病害已在一定程度上影響了主梁的縱向伸縮性能與受力狀態(tài)，這一結論與人工檢測結果及前文分析結果一致。

圖9 位移縱向空間相關性平行坐標圖

5 結論

本文以某斜拉橋1 年的支座位移實時監(jiān)測數(shù)據為研究對象，分析了帶病害的盆式橡膠支座的位移時程曲線特性，建立了支座位移與溫度之間的回歸分析模型，并利用平行坐標圖對支座位移的橫向與縱向空間相關性進行了可視化分析。 主要研究結論如下：（1）由于病害支座上下盤間靜摩擦力的增大，其位移并不是隨時間連續(xù)而緩慢地變化，而是存在著摩擦力的積累與釋放過程，位移時程曲線呈現(xiàn)出跳躍和不連續(xù)的特點。 若支座病害過于嚴重，靜摩擦力大于梁體伸縮產生的內力，甚至會導致支座卡死；（2）病害會導致一定范圍內的支座位移與溫度不相關，并顯著降低整體數(shù)據間的相關性。 通常，支座的病害程度與支座位移—溫度的相關系數(shù)和回歸系數(shù)呈反比，因此可以通過回歸系數(shù)與相關系數(shù)來識別和評估支座的實際工作狀況；（3）因不同支座的病害程度有所區(qū)別，在表征位移橫、縱向空間相關性的平行坐標圖上呈現(xiàn)出了滑動時間不同步、位移幅值隨機性較大等特點，表明該橋支座病害已在一定程度上影響了主梁的縱向伸縮性能與受力狀態(tài)。