中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋健康監(jiān)測(cè)研究分析

楚帥

摘要 文章結(jié)合某中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的基本概況，使用Midas Civil專業(yè)建模軟件對(duì)該橋梁進(jìn)行建模分析，并通過該橋一期恒載、二期恒載、車輛荷載及溫度荷載作用下的響應(yīng)情況，進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)該橋的健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估了拱橋的安全性。

關(guān)鍵詞 健康監(jiān)測(cè)；Midas Civil；動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào) U446文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0039-03

0 引言

近幾年，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，橋梁作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，其數(shù)量不斷增加。截至2021年底，我國城市和公路橋梁總數(shù)已達(dá)105萬座，其中公路橋梁96萬座，城市橋梁9萬座。橋梁在長期使用過程中受到外部荷載及環(huán)境的影響，會(huì)逐漸進(jìn)入了病害暴發(fā)高峰期。美國權(quán)威期刊《事故分析與控制》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明橋梁平均使用壽命僅為30～40年。根據(jù)橋梁這一壽命周期，截至目前，我國有近10萬座橋梁正處于危橋狀態(tài)。

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)快速發(fā)展，開始從航空航天領(lǐng)域逐漸向城市基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域拓展，助推了國內(nèi)橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究進(jìn)展。從1997建成的香港青馬大橋，到南京長江大橋、二橋等橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，再到近兩年來在城市橋梁群中的應(yīng)用，橋梁健康監(jiān)測(cè)正在快速地發(fā)展[1-2]，進(jìn)一步保障橋梁安全，為橋梁管養(yǎng)提供輔助決策支持[3]。

該文以某市一座中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋?yàn)槔?，利用Midas Civil建模軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)合橋梁養(yǎng)護(hù)過程中的病害及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了橋梁監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估了橋梁的安全性能。

1 橋梁概況

該橋位于某市，跨越南淝河。橋梁結(jié)構(gòu)形式為單跨中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋。橋跨布置1×72.0 m，矢高18.0 m。橋梁全長85.9 m。全寬30.2 m。橋面橫向布置：2.6 m（左側(cè)人行道）+4.5 m（左側(cè)輔路）+1.0 m（左側(cè)錨固區(qū)）+14.0 m（中央主路）+1.0 m（右側(cè)錨固區(qū)）+4.5 m（右側(cè)輔路）+2.6 m（右側(cè)人行道）。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為中承式吊桿拱。橫向有2片拱肋，對(duì)應(yīng)2片縱梁?？v向布置了16片橫梁。各橫梁間布設(shè)鋼筋混凝土板作為行車道板，其中拱肋間有14片矩形空心板，拱肋外各5片槽型鋼筋混凝土板。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用鋼筋混凝土橋臺(tái)，基礎(chǔ)為灌注樁。橋面鋪裝為瀝青混凝土，伸縮縫為毛勒式伸縮縫。人行道鋪設(shè)方磚。橋梁兩側(cè)布置鐵質(zhì)護(hù)欄。

2 建模分析

主要采用了商業(yè)通用有限元分析軟件Midas Civil，進(jìn)行空間內(nèi)力、應(yīng)力分布、空間變形情況以及橋梁模態(tài)分析，計(jì)算時(shí)不考慮材料的塑性，結(jié)果為彈性結(jié)果；主要分析計(jì)算正常使用狀態(tài)的變形和內(nèi)力水平。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1.1 計(jì)算參數(shù)選取

該橋資料缺失較多，對(duì)于不確定的參數(shù)，建模取值按下述原則確定：

（1）截面：缺少人行道、快車道、慢車道的橋面板厚度，缺少兩片拱之間交叉支撐的截面詳圖及與拱連接處的節(jié)點(diǎn)詳圖，對(duì)于以上尺寸，圖紙中有構(gòu)件圖但缺少標(biāo)注，建模時(shí)直接在圖上量測(cè)；吊桿截面信息沒有，且在2002年更換過一次，根據(jù)2002年換索時(shí)測(cè)得的索拉力及伸長量，取鋼材彈模為200 GPa，可計(jì)算截面面積，建模時(shí)直接采用等面積實(shí)腹圓形截面。

（2）材料：缺少拱及橋面預(yù)制板的混凝土強(qiáng)度，考慮到縱梁和橫梁采用C50混凝土，因此拱的混凝土也采用C50；預(yù)制空心板的混凝土采用300#混凝土，建模時(shí)選用C30，由于是空心板，且缺少截面，因此板的混凝土容重取一半。

（3）約束條件：在橋梁拱腳處設(shè)置約束，由于圖紙中顯示拱腳處為現(xiàn)澆混凝土墩，因此拱腳處設(shè)置剛性連接；兩端橋面板與道路連接處設(shè)置了伸縮縫，建模時(shí)約束了豎直和橫橋向兩個(gè)方向的平動(dòng)，以及縱橋向的扭轉(zhuǎn)自由度，其余自由度均被釋放。

2.1.2 計(jì)算荷載選取

（1）一期恒載為橋梁承重結(jié)構(gòu)（包括混凝土拱和橋面系結(jié)構(gòu)）。混凝土容重取25 kN/m3。

（2）二期恒載包括欄桿、橋面鋪裝等，按《荷載規(guī)范》計(jì)算取值。

（3）車道荷載選用《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中的規(guī)定，具體見規(guī)范。

（4）在橋梁的最外側(cè)車道布置超載車輛，車輛荷載的尺寸選用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60—2015）中的標(biāo)準(zhǔn)車輛，將其軸載提高一倍，對(duì)應(yīng)總軸載為110 t的超載車輛。

（5）系統(tǒng)基準(zhǔn)溫度為10 ℃。①橋梁體系整體升溫34 ℃；②橋梁體系整體降溫?20 ℃；③梁截面溫度梯度：依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60—2015），梁截面溫度梯度以規(guī)范為準(zhǔn)。豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)為T1=14 ℃、T2=5.5 ℃。豎向日照反溫差為正溫差乘以?0.5。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 靜力分析結(jié)果

成橋階段，要考慮自重、二期及車道荷載作用下的橋梁變形和應(yīng)力進(jìn)行分析，具體見圖1、2。

2.2.2 動(dòng)力分析結(jié)果

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)類型，該文采用子空間迭代法，對(duì)該橋動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)自振頻率為0.659 Hz，振型參與質(zhì)量見表1。

2.3 計(jì)算分析結(jié)論

綜合分析有限元力學(xué)計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）該橋中主梁變形較大的為跨中截面，撓度傳感器可布置在跨中截面、1＼4截面以及3＼4截面。

（2）該橋主梁低階振動(dòng)響應(yīng)較明顯的為每跨跨中截面以及拱肋跨中截面，主要對(duì)拱肋的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）該橋在自重和二期荷載作用下跨中截面正彎矩最大，車道荷載作用下最大正彎矩也在跨中截面，因此，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)主要布置在跨中截面。

（4）吊桿作為橋梁主要受力構(gòu)件，需要針對(duì)該橋吊桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，主要對(duì)長吊桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另外，拱橋短桿效應(yīng)也比較明顯，因此也需要對(duì)短桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）溫度梯度荷載作用下引起的橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也比較明顯，因此主梁溫度的監(jiān)測(cè)也是很有必要的。

（6）整體升溫和降溫作用下，橋梁的自由伸縮比較明顯，因此需要對(duì)橋梁伸縮縫的伸縮狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

3.1 健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

該文通過對(duì)近年來橋梁發(fā)生的事故及所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，得出橋梁主要的風(fēng)險(xiǎn)為短桿效應(yīng)、橋臺(tái)水平平移、開裂、拱肋變形、吊桿銹蝕斷絲、橫縱梁裂縫和拱肋開裂等。其中一個(gè)比較明顯的病害就是短桿效應(yīng)。主要原因是處于拱肋與系桿交界處的橋梁短吊桿受到了較為明顯的拱肋溫度和受力的變形，導(dǎo)致橋面受到附加拉力，因此，橋梁的短吊桿相比于長吊桿來說，所受到的剪切作用更為明顯。另外一個(gè)比較明顯的病害是吊桿銹蝕斷絲，這主要是由于長期的疲勞荷載及環(huán)境影響。此外，拱肋變形和開裂對(duì)于拱橋來說也是較為明顯病害。

通過對(duì)橋梁病害進(jìn)行分析，結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的環(huán)境，綜合分析拱橋存在的風(fēng)險(xiǎn)以及病害，對(duì)該橋進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估時(shí)，要選取部分關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

（1）主梁以及拱頂?shù)呢Q向變形。

（2）主梁、縱梁及橫梁截面的應(yīng)變（主跨跨中、邊跨）、拱肋的應(yīng)變（拱頂和拱腳）。

（3）主梁及拱頂?shù)募铀俣软憫?yīng)。

（4）溫度。

（5）吊桿索力。

通過建立橋梁安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知、分析和預(yù)警，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 吊桿力分析結(jié)果

吊桿作為橋梁結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，其安全性會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全，因此，對(duì)其監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析尤其重要。該文對(duì)該橋?qū)ΨQ布置的6根吊桿中1個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，這6根吊桿變化相對(duì)穩(wěn)定，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢(shì)相對(duì)一致，結(jié)果表明該橋吊桿處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.2 撓度分析結(jié)果

橋梁撓度變化主要受到外荷載的影響比較明顯，通過撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可分析橋梁結(jié)構(gòu)整體線性狀態(tài)，因此，其變化可直接反應(yīng)橋梁整體變形及安全狀態(tài)。該文選擇8個(gè)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位1個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過分析可發(fā)現(xiàn)，近期撓度變化相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常狀態(tài)，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢(shì)相對(duì)一致，結(jié)果表明，橋梁在正常使用情況下整體線性較好，處于安全狀態(tài)。

綜上所述，通過對(duì)吊桿力及撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該橋近期處于安全狀態(tài)，可繼續(xù)使用。

4 結(jié)語

該文通過中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的有限元計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)合該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的環(huán)境，綜合分析了拱橋存在的風(fēng)險(xiǎn)以及病害，進(jìn)行了健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)橋梁吊桿力及撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析評(píng)估，得出目前該橋處于安全運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)論。

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