池传树，周 俊

(福建船政交通职业学院土木工程学院,福建 福州 350007)

0 引言

近20年来,我国桥梁建设成就斐然,截止到2022年底,我国公路桥梁已达100万余座[1],数量稳居世界第一。

桥梁数量增长的同时,老龄化桥梁的数量也随之增多,再加之超荷载、自然气候环境等多因素的影响,桥梁结构产生不同程度的使用性能下降和结构损伤。目前我国主要采用人工定期检测的方式进行桥梁技术质量状况评定。然而人工检测具有周期性、无法及时掌握桥梁病害发展趋势。桥梁结构一旦发生事故,必然造成不可挽回的重大人员伤亡、经济损失,并且造成极其恶劣的社会影响。在这种背景下,桥梁结构安全状态监测与评估的重要性日益受到关注。一般的,工程结构安全风险达到临界状态之前,监测数据的某些特征指标即有明显反应,所以可以通过这些监测数据预报警情,所以在桥梁运营过程中,其结构监测数据的实时采集尤为重要[2]。利用MIDAS CIVIL软件对桥梁进行有限元分析,分析结果作为与监测结果进行对比的对象,为桥梁健康监测提供更充分的理论依据。

1 基于MIDAS CIVIL的桥梁健康监测与评估技术路线

1)收集桥梁的设计图纸、验收报告、检测报告、维修记录等资料,了解桥梁的结构、材料、使用年限等信息。

2)利用MIDAS CIVIL软件建立桥梁有限元模型,确定桥梁结构受力特点。

3)结合桥梁重要部位的损伤、裂缝、锈蚀等病害以及桥位周边环境及桥梁实际运营条件等情况,依据桥梁监测规范、指南等,出具监测方案,确定监测项目、测点布设、监测设备数量等。

4)建立桥梁监测系统,对桥梁进行实时监测并对其安全状态进行评估,及时发现问题并进行处理。

2 实例分析

2.1 工程概况

三明市某桥梁位于G235国道上,全桥长210.72 m,桥面宽度9.0 m,跨径为3×60 m,矢跨比:1/8,正交直桥。设计荷载:汽车-20,挂车-100级。2020年度大桥的特殊检查结果如下:桥梁上部结构评分为2类(81.3),下部结构评分为2类(82.9),桥面系评分为3类(75.2),桥梁技术状况等级评定结果为2类(80.7);刚架拱片的混凝土强度满足要求,材质强度处于良好状态;混凝土保护层厚度较好,对钢筋耐久性的影响不显著;碳化深度值小于保护层最小厚度;混凝土内部钢筋锈蚀状态为无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定。大桥上部结构的强度和刚度满足汽车-20,挂车-100级设计荷载等级要求;桥梁的动刚度满足要求,全桥实测的自振特性数据表明结构无明显内在损伤。大桥抗弯和抗剪能满足汽车-20,挂车-100级级荷载等级要求。

2.2 MIDAS CIVIL建模

采用MIDAS CIVIL软件对三明市某桥梁进行有限元分析,有限元模型图如图1所示,分析的结果分别如图2—图4所示。

2.3 测点布设

根据《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》中关于拱桥的监测内容[3],再结合MIDAS CIVIL软件分析结果,确定桥梁监测点位的布设。

1)环境温湿度监测。桥梁结构常年暴露在大气中,受外界环境的温度和湿度变化的影响,常引起桥梁病害的产生,同时温度也是桥梁结构应力变化的因素之一,所以温湿度监测是桥梁监测的重要内容之一。本项目选取桥梁拱顶位置监测桥址区环境温湿度。

2)桥梁挠度监测:选取有代表性的观测点(拱顶、拱脚等截面),监测观测这些点的竖向位移,并与MIDAS CIVIL软件分析数值进行比较,据此判断桥梁竖向位移是否属于正常状态。

3)桥梁应变监测:选取有代表性的观测点(拱顶、拱脚等截面),监测这些点的应变变化情况,并与理论分析进行比较,据此判断拱圈的受力状态是否属于正常状态。

通过上述分析,确定桥梁共布设16个应变计(顺桥向)、4个静力水准仪(其中一个为基准点),6个加速度计(竖向)以及1个温湿度传感器,各监测测点布置示意图如图5所示。

2.4 监测系统构建

桥梁健康监测系统是由安装在桥梁上的传感器、视频图像等感知设备以及数据采集、网络通信、数据处理与管理、用户界面等软硬件构成,对桥梁所处环境、荷载作用、结构响应等参数进行采集、处理、分析,并对桥梁状态改变进行预警和评估[3]。

2.5 监测结果

2.5.1 温湿度监测

选取2023年3月13日至2023年6月30日数据绘制温度和湿度监测时程曲线趋势如图6和图7所示,监测结果如表1所示。

表1 温湿度监测数据记录表

从本监测周期的温度和湿度数据分析可知,三明市某桥梁的温度和湿度变化较为稳定,具有较强的日变化规律。温度和湿度无极端情况,最高温度39.26 ℃,最低温度11.45 ℃,最大温差27.81 ℃;最高湿度80.83%RH,最低湿度47.13%RH,最大湿度差33.70%RH,并与上季度结果进行对比,符合福建三明地区该时段的气温变化情况。

2.5.2 挠度监测

桥梁的主梁挠度是桥梁健康状况评价的重要参数之一,在桥梁监测、危桥改造以及新桥验收中都需准确地测量桥梁的挠度值。因此,不管是从承载力极限状态还是正常使用极限状态考虑,对主梁挠度进行监测都具有重要的工程价值[4]。

选取2023年3月13日至2023年6月30日数据并与上一季度监测结果以及实时调整的有限元分析结果进行对比,如表2所示。剔除由于外部环境影响而产生的异常数据外,挠度数据总体波动范围较为稳定。通过与上一季度监测结构以及有限元数据进行对比可以看出,各截面的最大挠度值在允许阈值范围内,其挠度曲线能够较好反映桥梁各截面的线形变化。

表2 桥梁挠度监测数据分析表

2.5.3 应变监测

桥梁应变监测是桥梁结构健康监测的重要手段,故可以通过在桥梁的截面上布置应变测点,通过应变计监测应变,应变监测数据以受拉为正,受压为负。选取2023年3月13日至2023年6月30日监测数据,如图8所示。

主梁各截面应变测点数据日变化规律明显,且对称截面数据变化极为相似,数据呈现良好的对称性。为更清楚反映桥塔及主梁应变数据变化情况,将变化分析结果与上季度监测结果以及有限元结果进行对比,结果如表3所示,剔除外界因素干扰的情况下,本周期内各测点应力变化量较小,总体变化情况较为稳定,变化范围在有限元阈值范围内,变化属于安全范畴。

表3 应变分析对比结果

2.5.4 振动监测

桥梁的振动频率是桥梁的固有特性,不会随着外界荷载的变化而变化,因此完好桥梁的振动频率是恒定的。当桥梁出现较大损伤或结构改变时,桥梁的振动频率也会随之改变,桥梁频率蕴含着桥梁的整体结构信息与安全信息,有必要对桥梁的振动频率进行分析[5]。利用结构健康监测系统中采集的桥梁各构件的振动加速度数据,可以对桥梁各构件的振动进行频谱分析,从中得出桥梁各构件的振动频率,从而了解桥梁的整体特性。

取加速度传感器1和加速度传感器3的时程曲线图和频率图绘制于图9,并将频率与有限元基频进行对比,得到表4。由图9和表4反映的振动数据分析,桥面振动变化跳动周期较明显,振动数据在波动后最终恢复正常,测点振动数据间歇性跳动,可能是由于受到车辆荷载、风荷载等变化引起的桥面振动影响,但根据识别到的基频来看,整桥监测振动数据较为正常可靠,较能反映实际的运营状况。监测周期内,全桥的一阶自振频率介于[3.98～4.76] Hz,均大于理论计算频率2.78 Hz,且未触发红色或黄色的预警,表明现状桥梁整体刚度满足设计要求。

表4 频率汇总表 Hz

3 结论

通过监测系统对桥梁状态参数进行实时的跟踪,在观测期内,应变、挠度、振动等监测指标均在有限元阈值范围内,表明该桥梁结构在安全可靠范围内。基于MIDAS CIVIL桥梁健康监测的实践研究能极大地延拓桥梁的监测内容,并可连续地、实时地、在线地对桥梁结构“健康”状态进行监测和评估,对桥梁的运营安全和提高桥梁的信息化管理水平等具有重要的指导意义。