模數(shù)式大位移伸縮縫智能監(jiān)測

亢曉亮

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

伸縮縫是一種長期暴露在外部環(huán)境中的機械構(gòu)件，工作環(huán)境惡劣，是最易出現(xiàn)損傷的橋梁部件。橋梁投入運營后，在車輛荷載及自然因素的影響下，各構(gòu)件逐步老化，損傷不斷積累，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)及維修，容易引起突發(fā)的結(jié)構(gòu)性破壞；特別是一些大跨越江橋梁，往往都是重要交通咽喉，大位移伸縮裝置一旦損壞對橋梁結(jié)構(gòu)和道路安全運營的影響都比較大；若大范圍更換維修，對正常交通運營也會造成很大影響。

本文通過對模數(shù)式大位移伸縮縫的構(gòu)造特點分析和運營現(xiàn)狀調(diào)研，通過早期病害判斷及破壞機理分析，探索快速預(yù)警伸縮縫損壞的方法。

1 基本構(gòu)造及現(xiàn)狀

1.1 伸縮縫概述

橋梁伸縮裝置是公路橋梁橋面系的重要組成部分，不僅需要適應(yīng)橋梁的變溫伸縮、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉降和轉(zhuǎn)動等因素的伸縮，同時也需承受各種類型的車輛荷載及沖擊，保證橋上車輛通行的安全性和舒適性。隨著我國公路橋梁建設(shè)的發(fā)展，大跨長聯(lián)橋梁的不斷增多，大位移伸縮裝置的數(shù)量也不斷增長。

模數(shù)式伸縮裝置是國內(nèi)外公路橋梁上使用最廣泛的一種橋梁伸縮裝置。其主要特征有：標準化、模塊化程度高；適應(yīng)伸縮（變形）能力強；耐久適用；維修成本低。

模數(shù)式伸縮裝置按其支承鋼梁(橫梁)的支承形式可分為格梁式、直梁式和轉(zhuǎn)軸式(斜梁式)三種[1]。格梁式模數(shù)縫縱向變形適應(yīng)一般不會超過480 mm寬度，國內(nèi)應(yīng)用較少；直梁式模數(shù)縫理論受力性能與轉(zhuǎn)軸式不相上下，相對而言安裝占用的空間小、造價低、安裝精度要求低、模數(shù)設(shè)計更為靈活等特點，是近年來國內(nèi)推廣應(yīng)用最為普遍的一種模數(shù)縫類型。本文以直梁式模數(shù)縫作為研究對象進行損壞機理分析及監(jiān)測方案研究。

1.2 模數(shù)縫構(gòu)造

直梁式模數(shù)縫縱向位移能力一般160～2 000 mm，單根中梁位移模數(shù)80 mm，其主要構(gòu)造見圖1。

圖1 模數(shù)式伸縮縫三維視圖

常規(guī)模數(shù)縫主要構(gòu)件按功能分為以下三個系統(tǒng)。

豎向力傳力系統(tǒng)：保證作用在中梁上的豎向荷載順暢傳遞至前后跨結(jié)構(gòu)。模數(shù)縫主要傳力路徑為：中梁→彈性支撐原件（上支座）→支承梁（橫梁）→支承梁支座→橫梁錨箱底板。

變形協(xié)調(diào)系統(tǒng)：連系梁通過剪力彈簧相鄰連接或間隔連接中梁（邊梁），利用剪力彈簧的剛度協(xié)調(diào)各中梁間隙基本一致。

主要構(gòu)件穩(wěn)定系統(tǒng)：保證支承梁（橫梁）、中梁穩(wěn)定的構(gòu)件。支承梁一般利用焊接在邊梁上的支撐架保證其穩(wěn)定；中梁則通過U形或L形的支撐架抱箍支承梁+彈性支撐原件（壓緊支座）保證其穩(wěn)定性，各支座（中梁支座和壓緊支座）的摩阻力是保證中梁穩(wěn)定的關(guān)鍵。

1.3 伸縮縫智能監(jiān)測的意義

我國的橋梁伸縮裝置的使用壽命普遍不高，斷梁破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，對橋梁正常使用影響較大。根據(jù)橋梁維保單位及設(shè)備廠家提供的信息顯示，大部分伸縮縫大修周期在5～10 a之間，與設(shè)計使用壽命（大于15 a）相差甚遠。因此延長伸縮裝置的使用壽命，避免短期內(nèi)結(jié)構(gòu)性大修更換至關(guān)重要。

大型模數(shù)伸縮縫具有一定的專業(yè)性，通常的維保單位并不能快速、準確判斷其本體是否有損壞，而廠家維護人員基于成本的考慮也不會高頻次跟蹤檢查，待發(fā)現(xiàn)問題再進行處治時可能已經(jīng)延誤了最佳維修時間，導(dǎo)致大部分伸縮縫維修僅能通過整體更換實現(xiàn)。如圖2所示伸縮縫中梁斷梁，支撐架損壞。

圖2 模數(shù)縫破壞

所以通過對伸縮縫病害的早期病害判斷及破壞機理分析，找到快速預(yù)警伸縮縫是否異常的方法非常有必要。利用遠程監(jiān)控技術(shù)、智能預(yù)警伸縮縫易損部件的使用狀況，并及時維修，對提高伸縮縫的整體使用壽命意義重大。

2 模數(shù)縫的損壞機理

模數(shù)式裝置的結(jié)構(gòu)性破壞主要是中梁、支承梁（橫梁）、支撐架的破壞。由于支承梁不直接承受車輛沖擊荷載，其構(gòu)造尺寸也有足夠大的安全余量，極少發(fā)生破壞。

中梁直接承受車輛荷載的沖擊，其破壞在運營中最為常見，而支撐架的破壞也往往伴隨著中梁的嚴重變形或斷裂。

通過對大部分橋梁伸縮縫的病害分析發(fā)現(xiàn)：在長期重載交通影響下，橡膠類部件（支座、剪力彈簧）老化或個別產(chǎn)品性能劣化（見圖3），引起中梁穩(wěn)定性變差、車輛通過時瞬時彈性變形增大；若長時間得不到維修，則受損支座進一步劣化，最終脫空掉落，導(dǎo)致個別中梁約束減弱，跨徑增大，出現(xiàn)豎彎、橫彎、扭曲等塑性變形；中梁的變形伸縮縫面的不平整、間隙“大小頭”等變形，在反復(fù)沖擊荷載作用下進一步受損，進而導(dǎo)致中梁的破壞。伸縮縫破壞歷程見圖4。

圖3 剪力彈簧失效

圖4 模數(shù)縫破壞歷程

伸縮縫間隙卡物、防水膠條漏水、初始安裝調(diào)試不規(guī)范也會加速伸縮縫易損構(gòu)件的劣化，但最終的損壞機理仍基本一致。

所以，模數(shù)縫橡膠類部件性能劣化，引起變形協(xié)調(diào)系統(tǒng)與中梁穩(wěn)定系統(tǒng)的失效，最終導(dǎo)致豎向力傳力系統(tǒng)損壞，是中梁破壞的主要原因。

3 模數(shù)縫病害智能監(jiān)測

模數(shù)縫橡膠類部件性能老化，必然存在明顯的模數(shù)間隙分配不均的情況。通過對中梁間隙不均勻程度的監(jiān)控和理論變形恢復(fù)能力的對比分析，設(shè)置一定的閾值，便可以預(yù)警變形協(xié)調(diào)系統(tǒng)與中梁穩(wěn)定系統(tǒng)的損壞，及時采取維修措施，避免伸縮縫的結(jié)構(gòu)性破壞。

明確研究對象所需監(jiān)測的數(shù)據(jù)后，確定監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架：位移采集及傳輸系統(tǒng)、后臺分析和預(yù)警系統(tǒng)。

3.1 位移采集及傳輸

根據(jù)數(shù)據(jù)精度、安裝空間和使用環(huán)境，采用普通

拉線式位移傳感器便可滿足數(shù)據(jù)精度需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信號通過4G或5G傳輸已經(jīng)極為方便；信號收發(fā)系統(tǒng)所需的電力可通過小型的光伏電板實現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)分析及預(yù)警

單縫寬度：模數(shù)縫每個模數(shù)的縫隙理論值在0～80 mm，如果任何一個模數(shù)有超出80 mm的間隙則是非常明顯的破壞信號，此時需要立即啟動維修預(yù)警程序。

總縫寬：實際判定中需結(jié)合安裝溫度、初始縫寬，對比監(jiān)測數(shù)據(jù)及各縫的寬度對數(shù)據(jù)進行修正。當縫寬與當前溫度不適應(yīng)時，則進行檢修預(yù)警。

不均勻縫寬：根據(jù)間隙的監(jiān)測數(shù)據(jù)，瞬時單縫寬度與平均縫寬差異±10%～15%，可判斷中梁支座病害，檢修預(yù)警。另外可根據(jù)24 h平均縫寬不均勻程度判別其變形協(xié)調(diào)和恢復(fù)能力，對剪力彈簧進行預(yù)警。

4 模數(shù)縫病害智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用場景

智能監(jiān)測系統(tǒng)選擇東海大橋顆珠山大橋作為現(xiàn)場應(yīng)用試點。橋跨組合：50 m（過渡孔）+139 m+332 m+139 m+50 m（過渡孔），全長710 m，建于2005年；為雙塔雙索面邊主梁式鋼一混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，墩位編號排列:PM470～PM475。斜拉橋與過渡孔之間采用轉(zhuǎn)角伸縮縫，過渡孔與引橋之間采用MZL960型大位移伸縮縫。

在主橋PM470墩處右幅中分帶側(cè)安裝智能監(jiān)測系統(tǒng)及4G信號發(fā)射器。位移采集器安裝在伸縮縫下方（見圖5）。

圖5 安裝現(xiàn)場

PM470墩處伸縮縫中梁11道，邊梁2道。受安裝空間限制，布置3組位移采集器，采集頻率為每分鐘1次，數(shù)據(jù)采集范圍見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集示意

4.2 模態(tài)數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)調(diào)校

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，受汽車沖擊影響，一般伸縮縫前、后兩端損壞的頻次較高，中間段一般較少發(fā)生。故位移采集中，將伸縮縫分為三個區(qū)域進行位移采集，每個區(qū)域4道縫。監(jiān)控采集數(shù)據(jù)分別為S1、S2、S，通過計算可求得三個區(qū)域?qū)?yīng)的橋縫寬度Da、Db、Dc及總縫寬D。

假定各區(qū)域內(nèi)縫寬平均分布，計算求得各區(qū)域單縫平均寬度da、db、dc及平均縫寬d。

引入縫寬不均勻系數(shù)km進行判定：

當單組數(shù)據(jù)km1≥1.1或km2≤0.9或km≥1.15時，初步判定局部縫寬異常，預(yù)警檢修。

日均數(shù)據(jù)kd1≥1.08或kd2≤0.93或kd≥1.1時，初步判定位移恢復(fù)系統(tǒng)異常，預(yù)警檢修。

4.3 終端展示

本系統(tǒng)為較為簡潔的預(yù)警判別系統(tǒng)，用戶端的展示內(nèi)容主要是結(jié)構(gòu)裝置本身的總體變形參數(shù)，同時直接顯示通過數(shù)據(jù)判別之后的裝置健康狀態(tài)，如在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)顯示為正常，標記為綠色；超出閾值則標記為黃色，使用者可以很直觀判斷裝置的健康狀態(tài)。終端界面見圖7。

圖7 用戶端窗口

每次判斷以最近一次的采集數(shù)據(jù)分析后的結(jié)論作為展示，后臺每次采集的數(shù)據(jù)均有記錄，并可以通過系統(tǒng)后端讀取每次采集的數(shù)據(jù)用來進行提取分析。

5 結(jié) 語

模數(shù)縫橡膠類部件性能老化，引起變形協(xié)調(diào)系統(tǒng)與中梁穩(wěn)定系統(tǒng)的失效，最終導(dǎo)致豎向力傳力系統(tǒng)損壞，是中梁破壞的主要原因。通過對中梁各縫寬的監(jiān)控及分析能夠有效反映伸縮縫易損構(gòu)件的使用狀況，對異?？p寬的預(yù)警，能夠避免伸縮縫的結(jié)構(gòu)性損壞。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)警閥值的設(shè)置需根據(jù)伸縮縫的實際運營狀況進行反復(fù)調(diào)校和測試。智能監(jiān)測系統(tǒng)可通過增設(shè)溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等監(jiān)測，結(jié)合環(huán)境變化對伸縮縫的變形進行綜合分析。

智能監(jiān)控系統(tǒng)正常預(yù)報情況下可以減少日常養(yǎng)護現(xiàn)場的工作量，節(jié)省維護檢修的成本，只需要定期對設(shè)施進行檢查或者在系統(tǒng)有預(yù)警時再結(jié)合現(xiàn)場人工檢修即可，提高了工作效率。