基于物聯(lián)網(wǎng)的拱橋動(dòng)靜力分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
——以福建金溪大橋?yàn)槔?/h1>
2022-02-08 07:10:02鄭國(guó)和
北部灣大學(xué)學(xué)報(bào) 2022年6期
鄭國(guó)和
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,福建 福州 350007)
0 引言
近年來(lái),隨著我國(guó)公路工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展,鋼管混凝土拱橋的建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)大發(fā)展時(shí)期[1-2]。基于大型拱橋多變的外部環(huán)境和復(fù)雜的結(jié)構(gòu),研究如何通過橋梁健康監(jiān)測(cè)預(yù)判其力學(xué)性能和行為規(guī)律,提升拱橋施工及運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)安全性、可靠性,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[3-4]。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法存在設(shè)備落后、缺乏客觀依據(jù)、不能實(shí)時(shí)預(yù)警、整體性差等缺點(diǎn)[5]?，F(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可通過結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力性能分析,預(yù)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別,及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害隱患,減少維修費(fèi)用,降低事故損失,同時(shí)也為檢驗(yàn)橋梁的理論研究、計(jì)算假定、新設(shè)計(jì)理論的形成提供重要參考依據(jù)[6-7]。
橋梁健康監(jiān)測(cè)概念的提出是在20世紀(jì)90年代中后期[8]。1997年Housner 團(tuán)隊(duì)[9]提出了“工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一種在對(duì)工程結(jié)構(gòu)特性無(wú)損傳感和分析的基礎(chǔ)上,判斷被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)部位的損傷情況的技術(shù)”。2009年Farrar 團(tuán)隊(duì)[10]研究針對(duì)荷載監(jiān)測(cè)提出更為全面的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)定義,并將傳感設(shè)備嵌入結(jié)構(gòu)或材料中,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)荷載、損傷狀態(tài)的記錄、分析、定位和預(yù)測(cè)。在國(guó)內(nèi),香港青馬大橋是首座運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大橋,李兆霞教授團(tuán)隊(duì)[11]對(duì)該橋進(jìn)行有限元建模及仿真分析,闡述損傷力學(xué)及其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用,評(píng)估得出該橋健康監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。李愛群團(tuán)隊(duì)[12]針對(duì)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋建立了一套健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng),對(duì)橋梁的幾何狀態(tài)、靜動(dòng)力響應(yīng)、交通荷載狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),進(jìn)一步推進(jìn)了橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)已安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁有300 余座[8]。但目前橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)仍有不足,如暫無(wú)可對(duì)橋梁損傷做出評(píng)價(jià)的行業(yè)通用綜合性指標(biāo),部分構(gòu)件缺損對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響仍不能準(zhǔn)確評(píng)估等[13]。
為此,本文選取福建金溪大橋作為研究對(duì)象,將該橋合理簡(jiǎn)化,進(jìn)行不同組合下的靜載和動(dòng)載試驗(yàn),測(cè)量大橋的撓度、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫,分析得出應(yīng)力的較大部位,確定危險(xiǎn)位置,布置傳感器,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),最終作出結(jié)構(gòu)損傷診斷,從而為大橋病害的有效防治提供科學(xué)依據(jù)。
1 工程背景
金溪大橋位于國(guó)道福蘭線(G316)南平市順昌縣境內(nèi)金溪出口處,上部結(jié)構(gòu)為5 m×50 m 剛架拱橋,中心樁號(hào)K241+835,全長(zhǎng)286.8 m,其設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:(1)橋面寬度17.5 m,其中護(hù)欄0.5 m、人行道3 m、車行道14 m;(2)荷載等級(jí):汽車20 級(jí),掛車100 級(jí),人群荷載3.5 kN/m2;(3)橋面橫坡:1.5%,雙向橫坡;(4) 行車限速:40 km/h。
剛架拱肋為預(yù)制構(gòu)件,采用30 號(hào)混凝土,除實(shí)腹段的底弧采用二次拋物線,其余均為直線構(gòu)件,每跨橫向6 片組成,全橋共30 片。橫梁采用預(yù)制構(gòu)件,分為Ⅰ型和Ⅱ型,均采用40 號(hào)混凝土,相鄰拱肋間采用20 道橫梁聯(lián)結(jié)。肋腋板(含懸臂板)為預(yù)制構(gòu)件,分為標(biāo)準(zhǔn)塊件和端部塊件,均采用30 號(hào)混凝土,安裝在裸拱肋之間,懸臂板安裝于邊拱肋外側(cè)。肋腋板以上的現(xiàn)澆混凝土為填平層,填平層以上為橋面鋪裝。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體式砼墩及明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或承臺(tái)鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋臺(tái)采用空心式砼臺(tái)及明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或承臺(tái)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。金溪大橋?qū)嵕叭鐖D1所示。
圖1 金溪大橋?qū)嵕皥D
2 有限元理論分析
采用Midas Civil 有限元模擬軟件對(duì)金溪大橋建立三維空間有限元模型。由于橋梁結(jié)構(gòu)各部位受力不同,采用變截面空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,以提高有限元計(jì)算精度,如圖2所示。
圖2 金溪大橋全橋三維空間有限元計(jì)算模型
在橋梁有限元分析中,必須考慮其自重和活載的組合。橋梁的最不利受力狀態(tài):均布荷載在影響線最大處;集中荷載布置在對(duì)應(yīng)的影響線最大處。考慮模型的空間效應(yīng),在橫橋向的荷載需要轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)荷載。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[14],運(yùn)用Midas Civil 有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移影響線,分析大橋在自重和設(shè)計(jì)荷載作用下的撓度及其縱向彎曲應(yīng)力分布情況,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。
3 靜、動(dòng)載試驗(yàn)分析
在實(shí)際車輛通過產(chǎn)生的荷載作用下,測(cè)量橋梁的撓度、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫等,通過分析比較,評(píng)價(jià)橋梁的結(jié)構(gòu)性能、動(dòng)力特性。
3.1 靜載試驗(yàn)
3.1.1 試驗(yàn)方案
施加的試驗(yàn)荷載汽車20 級(jí),掛車100 級(jí),人群荷載3.5 kN/m2。根據(jù)規(guī)范的要求[14],結(jié)合大橋?qū)嶋H情況,選取第5 跨拱頂截面、1/4 截面以及第3 跨拱頂截面進(jìn)行靜載試驗(yàn),控制截面和測(cè)試內(nèi)容見表1。
表1 控制截面和測(cè)試內(nèi)容
試驗(yàn)截面位置與測(cè)點(diǎn)布置包括:第3 跨靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試截面布置,第5 跨靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試截面布置、撓度測(cè)試截面布置,Ki截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置,K3 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置、Kfi截面撓度測(cè)點(diǎn)布置。其中Ki截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。
圖3 Ki 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖(i 為1～2)
3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果
(1)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果
在荷載作用下的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表2 K1 截面正彎作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果(正載)
(2)撓度測(cè)試結(jié)果
在荷載作用下的撓度測(cè)試結(jié)果如表3所示。
表3 K1 截面正彎作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果(正載)
(3)靜載測(cè)試結(jié)論
本次靜載試驗(yàn)荷載效率在0.87～1.03,可用于試驗(yàn)評(píng)價(jià)。金溪大橋的控制截面應(yīng)變測(cè)試值＜理論值,其中校驗(yàn)系數(shù)在0.50～1.00,荷載卸除后的殘余應(yīng)變＜20%;控制截面的撓度值＜理論值,撓度校驗(yàn)系數(shù)位于0.40～0.79,荷載卸除后的殘余變位均＜20%。在荷載增加控制截面及附近均沒有發(fā)現(xiàn)新增裂縫,原有裂縫未見發(fā)展。
3.2 動(dòng)載試驗(yàn)
3.2.1 試驗(yàn)方案
動(dòng)載試驗(yàn)是為了研究車輛駛過橋梁時(shí)產(chǎn)生的橋梁和車輛之間的振動(dòng)耦合問題。試驗(yàn)主要測(cè)量橋梁的頻率、振動(dòng)方向、阻尼、沖擊系數(shù)等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。
考慮到該橋?yàn)? 跨連拱,5 跨作為一個(gè)整體,第3 跨和第5 跨所測(cè)的頻率一致,因此試驗(yàn)截面位置與測(cè)點(diǎn)布置為:選取第3 跨作為動(dòng)力特性試驗(yàn)橋跨,測(cè)試該跨振型與理論振型并進(jìn)行比較。選取試驗(yàn)橋跨八分點(diǎn)作為動(dòng)力特性測(cè)試截面,采用941B 速度傳感器采集橋梁的豎向振動(dòng)速度方式進(jìn)行測(cè)試。選取第3 跨最大正彎截面(K1)作為動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試截面,采用1/4 橋測(cè)量方式進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)截面示意如圖4所示,其測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示,模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面示意如圖6所示,其測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。
圖4 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)截面位置示意圖(K1:動(dòng)應(yīng)變測(cè)試截面)
圖5 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)截面K1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(測(cè)點(diǎn)編號(hào)與靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同)
圖6 第3 跨模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面位置示意圖
圖7 第3 跨模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖
3.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析
(1)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
橋梁前六階豎向振動(dòng)頻率理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)頻率值見表4。
表4 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果
由表4可知,橋梁結(jié)構(gòu)豎向前六階理論計(jì)算值小于實(shí)測(cè)頻率值,說明整體剛度滿足要求。
(2)沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果
當(dāng)橋梁凈跨50 m,根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到?jīng)_擊系數(shù)μc=0.08。橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果見表5。
表5 橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果
由表5可知,按實(shí)測(cè)最大數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,即最大μ3=0.132 8,動(dòng)載試驗(yàn)效率ηdyn=0.25,μ3×ηdyn=0.033 2,小于設(shè)計(jì)規(guī)范μc=0.08,說明滿足設(shè)計(jì)要求。
(3)動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
由模態(tài)試驗(yàn)和沖擊系數(shù)測(cè)試可知,所檢測(cè)橋梁的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)正常。
4 基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)安全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
結(jié)合靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)系統(tǒng)理論特點(diǎn)的研究,建立金溪大橋全壽命安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15],主要是對(duì)車輛過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)時(shí)在線發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和分析結(jié)果,為全面了解車輛過橋時(shí)橋梁的振動(dòng)情況以及橋梁損傷的診斷提供詳細(xì)可靠的數(shù)據(jù)資料。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理及控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)預(yù)警狀態(tài)與評(píng)估子系統(tǒng),如圖8所示。
圖8 橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備包括應(yīng)變傳感器、應(yīng)變采集箱、傾角傳感器、裂縫傳感器、加速度傳感器、智能云盒、配電箱等輔材和軟件平臺(tái)。顯示界面見圖9。
圖9 金溪大橋物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面
4.1 測(cè)點(diǎn)選擇與傳感器布置
金溪大橋上部的拱肋、橫梁與橋面板等為關(guān)鍵部位,是該橋的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取應(yīng)重點(diǎn)考量:(1)剛架拱的變形觀測(cè)。監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的傾角變形,判斷拱圈的變形情況;根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合拱圈的線型,與設(shè)計(jì)的拱軸線進(jìn)行比較,判斷拱軸線是否發(fā)生重大變化。(2)剛架拱的應(yīng)變觀測(cè)。監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化情況,與理論分析進(jìn)行比較,判斷拱圈的受力狀態(tài)是否屬于正常狀態(tài)。(3)剛架拱的裂縫觀測(cè)。監(jiān)測(cè)原有裂縫處的發(fā)展情況,綜合判斷拱圈的剛度退化、極限承載力和安全度[16-18]。拱肋測(cè)點(diǎn)傳感器布置在拱肋、橫梁與橋面板上,主要用于監(jiān)測(cè)拱肋變形、應(yīng)變、裂縫等狀態(tài)。
4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
4.2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
橋梁結(jié)構(gòu)主要受力部件的應(yīng)變反映橋梁整體剛度的變化,剛度的變化將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞,因此,設(shè)置金溪大橋在線監(jiān)測(cè)表面應(yīng)變傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁控制截面的應(yīng)變,及時(shí)掌握橋梁的受力狀況。選取金溪大橋第3 跨跨中截面頂板、底板和右支座附近截面底板、頂板在2018年5月21日的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù),進(jìn)行日周期應(yīng)變數(shù)據(jù)分析,如表6所示,應(yīng)變變化規(guī)律如圖10所示。
表6 第3 跨日周期應(yīng)變數(shù)據(jù)單位:με
續(xù)表
車輛荷載變化是主梁發(fā)生應(yīng)變的主要原因。從圖10可知,主梁跨中和右支座的截面頂板與底板應(yīng)變的變化呈相反趨勢(shì)。從早上6:00 早高峰開始,車流量逐漸增大,車輛荷載的增加引起第3跨梁片下?lián)?導(dǎo)致上緣混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力增大,下緣混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力增大,且在9:00 達(dá)到極值;9:00 以后,隨著車流量的逐漸減少,主梁撓度值和上緣、下緣應(yīng)變值逐漸減小,趨于平緩;在晚高峰17:00—19:00 時(shí)段,車流量再次加大,主梁撓度值和上緣、下緣應(yīng)變值相應(yīng)增大,在19:00 達(dá)到峰值,而后逐漸減小;21:00—6:00 時(shí)段,由于夜間車流量不大,橋梁受到車載作用小,因此測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值變化幅度較小。
圖10 應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律
由于主梁中性軸到下邊緣距離大,到上邊緣距離小,因此梁片下?lián)蠒r(shí),下緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽看笥谏暇墱y(cè)點(diǎn)。2018年5月21日的實(shí)測(cè)最大應(yīng)變與最小應(yīng)變的差值即為主梁在這天內(nèi)的應(yīng)變幅度。由表6可知,第3 跨跨中截面頂板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為9.67 με,截面底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為19.49 με;右支座附近截面頂板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為9.29 με,底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為8.37 με。該主梁采用C50 混凝土,第3 跨跨中截面壓應(yīng)力幅度為0.399 MPa、拉應(yīng)力幅度為0.807 MPa;右支座附近截面的壓應(yīng)力幅度為-0.296 MPa、拉應(yīng)力幅度為0.235 MPa,符合理論分析的結(jié)果。
4.2.2 加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
(1)加速度響應(yīng)分析
選取金溪大橋2018年5月21日一天內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加速度動(dòng)力響應(yīng)分析。試驗(yàn)的1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在第3 跨的跨中截面頂板、跨中截面底板、右支座截面頂板、右支座截面底板。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備的信號(hào)頻率為1 000 Hz,一天內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量十分龐大,其中30 min 的數(shù)據(jù)已具有足夠多的振動(dòng)次數(shù),故每30 min 選取一次監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn),一天共48 個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均以該監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)前后15 min 的加速度值進(jìn)行計(jì)算,振動(dòng)強(qiáng)度用加速度響應(yīng)均方根表示。各測(cè)點(diǎn)一天內(nèi)振動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖11所示。
圖11 橋梁振動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化
從圖11可知,金溪大橋的振動(dòng)強(qiáng)度一天內(nèi)變化較大。測(cè)點(diǎn)1 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.22 cm/s2、峰值為1.23 cm/s2,測(cè)點(diǎn)2 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.20 cm/s2、峰值1.03 cm/s2,測(cè)點(diǎn)3 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.15 cm/s2、峰值0.91 cm/s2,測(cè)點(diǎn)4 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.17 cm/s2、峰值為0.73 cm/s2,說明該橋振動(dòng)趨勢(shì)明顯。從時(shí)間段來(lái)看,白天時(shí)間6:00—21:00 該橋振動(dòng)加速度響應(yīng)均方根值普遍大于夜間21:00—6:00,且動(dòng)力響應(yīng)變化不平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)當(dāng)天并無(wú)刮風(fēng)且溫差較小,因此,得出車輛荷載是大橋振動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生變化的主要原因。
(2)加速度數(shù)據(jù)時(shí)程分析
對(duì)金溪大橋測(cè)點(diǎn)在2018年5月21日3:00時(shí)段的豎向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析,得出結(jié)構(gòu)豎向1 階的頻率及對(duì)應(yīng)的振型,與Midas Civil 有限元計(jì)算結(jié)果相比較,得出表7和表8。
表7 實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率對(duì)比
表8 實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型對(duì)比
從表7和表8可知,金溪大橋?qū)崪y(cè)的動(dòng)力特性與模型計(jì)算的動(dòng)力特性相吻合。
5 結(jié)語(yǔ)
金溪大橋沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷,在變形及應(yīng)力方面均滿足結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的要求?？梢栽诮Y(jié)構(gòu)容易發(fā)生損傷的關(guān)鍵位置提前做好預(yù)防。如在拱頂、拱腳以及四分點(diǎn)截面變形較大的位置,布置傾角和位移實(shí)時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)截面變形,觀測(cè)拱軸線是否發(fā)生損傷;在易發(fā)生開裂損傷的下弦桿節(jié)點(diǎn)、拱腳節(jié)點(diǎn),布置相應(yīng)的傳感器,為今后拱橋修復(fù)和養(yǎng)護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)警措施。
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鄭國(guó)和
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,福建 福州 350007)
0 引言
近年來(lái),隨著我國(guó)公路工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展,鋼管混凝土拱橋的建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)大發(fā)展時(shí)期[1-2]。基于大型拱橋多變的外部環(huán)境和復(fù)雜的結(jié)構(gòu),研究如何通過橋梁健康監(jiān)測(cè)預(yù)判其力學(xué)性能和行為規(guī)律,提升拱橋施工及運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)安全性、可靠性,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[3-4]。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法存在設(shè)備落后、缺乏客觀依據(jù)、不能實(shí)時(shí)預(yù)警、整體性差等缺點(diǎn)[5]?，F(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可通過結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力性能分析,預(yù)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別,及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害隱患,減少維修費(fèi)用,降低事故損失,同時(shí)也為檢驗(yàn)橋梁的理論研究、計(jì)算假定、新設(shè)計(jì)理論的形成提供重要參考依據(jù)[6-7]。
橋梁健康監(jiān)測(cè)概念的提出是在20世紀(jì)90年代中后期[8]。1997年Housner 團(tuán)隊(duì)[9]提出了“工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一種在對(duì)工程結(jié)構(gòu)特性無(wú)損傳感和分析的基礎(chǔ)上,判斷被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)部位的損傷情況的技術(shù)”。2009年Farrar 團(tuán)隊(duì)[10]研究針對(duì)荷載監(jiān)測(cè)提出更為全面的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)定義,并將傳感設(shè)備嵌入結(jié)構(gòu)或材料中,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)荷載、損傷狀態(tài)的記錄、分析、定位和預(yù)測(cè)。在國(guó)內(nèi),香港青馬大橋是首座運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大橋,李兆霞教授團(tuán)隊(duì)[11]對(duì)該橋進(jìn)行有限元建模及仿真分析,闡述損傷力學(xué)及其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用,評(píng)估得出該橋健康監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。李愛群團(tuán)隊(duì)[12]針對(duì)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋建立了一套健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng),對(duì)橋梁的幾何狀態(tài)、靜動(dòng)力響應(yīng)、交通荷載狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),進(jìn)一步推進(jìn)了橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)已安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁有300 余座[8]。但目前橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)仍有不足,如暫無(wú)可對(duì)橋梁損傷做出評(píng)價(jià)的行業(yè)通用綜合性指標(biāo),部分構(gòu)件缺損對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)的影響仍不能準(zhǔn)確評(píng)估等[13]。
為此,本文選取福建金溪大橋作為研究對(duì)象,將該橋合理簡(jiǎn)化,進(jìn)行不同組合下的靜載和動(dòng)載試驗(yàn),測(cè)量大橋的撓度、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫,分析得出應(yīng)力的較大部位,確定危險(xiǎn)位置,布置傳感器,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),最終作出結(jié)構(gòu)損傷診斷,從而為大橋病害的有效防治提供科學(xué)依據(jù)。
1 工程背景
金溪大橋位于國(guó)道福蘭線(G316)南平市順昌縣境內(nèi)金溪出口處,上部結(jié)構(gòu)為5 m×50 m 剛架拱橋,中心樁號(hào)K241+835,全長(zhǎng)286.8 m,其設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:(1)橋面寬度17.5 m,其中護(hù)欄0.5 m、人行道3 m、車行道14 m;(2)荷載等級(jí):汽車20 級(jí),掛車100 級(jí),人群荷載3.5 kN/m2;(3)橋面橫坡:1.5%,雙向橫坡;(4) 行車限速:40 km/h。
剛架拱肋為預(yù)制構(gòu)件,采用30 號(hào)混凝土,除實(shí)腹段的底弧采用二次拋物線,其余均為直線構(gòu)件,每跨橫向6 片組成,全橋共30 片。橫梁采用預(yù)制構(gòu)件,分為Ⅰ型和Ⅱ型,均采用40 號(hào)混凝土,相鄰拱肋間采用20 道橫梁聯(lián)結(jié)。肋腋板(含懸臂板)為預(yù)制構(gòu)件,分為標(biāo)準(zhǔn)塊件和端部塊件,均采用30 號(hào)混凝土,安裝在裸拱肋之間,懸臂板安裝于邊拱肋外側(cè)。肋腋板以上的現(xiàn)澆混凝土為填平層,填平層以上為橋面鋪裝。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體式砼墩及明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或承臺(tái)鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋臺(tái)采用空心式砼臺(tái)及明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或承臺(tái)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。金溪大橋?qū)嵕叭鐖D1所示。
圖1 金溪大橋?qū)嵕皥D
2 有限元理論分析
采用Midas Civil 有限元模擬軟件對(duì)金溪大橋建立三維空間有限元模型。由于橋梁結(jié)構(gòu)各部位受力不同,采用變截面空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,以提高有限元計(jì)算精度,如圖2所示。
圖2 金溪大橋全橋三維空間有限元計(jì)算模型
在橋梁有限元分析中,必須考慮其自重和活載的組合。橋梁的最不利受力狀態(tài):均布荷載在影響線最大處;集中荷載布置在對(duì)應(yīng)的影響線最大處。考慮模型的空間效應(yīng),在橫橋向的荷載需要轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)荷載。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[14],運(yùn)用Midas Civil 有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移影響線,分析大橋在自重和設(shè)計(jì)荷載作用下的撓度及其縱向彎曲應(yīng)力分布情況,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。
3 靜、動(dòng)載試驗(yàn)分析
在實(shí)際車輛通過產(chǎn)生的荷載作用下,測(cè)量橋梁的撓度、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫等,通過分析比較,評(píng)價(jià)橋梁的結(jié)構(gòu)性能、動(dòng)力特性。
3.1 靜載試驗(yàn)
3.1.1 試驗(yàn)方案
施加的試驗(yàn)荷載汽車20 級(jí),掛車100 級(jí),人群荷載3.5 kN/m2。根據(jù)規(guī)范的要求[14],結(jié)合大橋?qū)嶋H情況,選取第5 跨拱頂截面、1/4 截面以及第3 跨拱頂截面進(jìn)行靜載試驗(yàn),控制截面和測(cè)試內(nèi)容見表1。
表1 控制截面和測(cè)試內(nèi)容
試驗(yàn)截面位置與測(cè)點(diǎn)布置包括:第3 跨靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試截面布置,第5 跨靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試截面布置、撓度測(cè)試截面布置,Ki截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置,K3 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置、Kfi截面撓度測(cè)點(diǎn)布置。其中Ki截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。
圖3 Ki 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖(i 為1～2)
3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果
(1)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果
在荷載作用下的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表2 K1 截面正彎作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果(正載)
(2)撓度測(cè)試結(jié)果
在荷載作用下的撓度測(cè)試結(jié)果如表3所示。
表3 K1 截面正彎作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果(正載)
(3)靜載測(cè)試結(jié)論
本次靜載試驗(yàn)荷載效率在0.87～1.03,可用于試驗(yàn)評(píng)價(jià)。金溪大橋的控制截面應(yīng)變測(cè)試值＜理論值,其中校驗(yàn)系數(shù)在0.50～1.00,荷載卸除后的殘余應(yīng)變＜20%;控制截面的撓度值＜理論值,撓度校驗(yàn)系數(shù)位于0.40～0.79,荷載卸除后的殘余變位均＜20%。在荷載增加控制截面及附近均沒有發(fā)現(xiàn)新增裂縫,原有裂縫未見發(fā)展。
3.2 動(dòng)載試驗(yàn)
3.2.1 試驗(yàn)方案
動(dòng)載試驗(yàn)是為了研究車輛駛過橋梁時(shí)產(chǎn)生的橋梁和車輛之間的振動(dòng)耦合問題。試驗(yàn)主要測(cè)量橋梁的頻率、振動(dòng)方向、阻尼、沖擊系數(shù)等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。
考慮到該橋?yàn)? 跨連拱,5 跨作為一個(gè)整體,第3 跨和第5 跨所測(cè)的頻率一致,因此試驗(yàn)截面位置與測(cè)點(diǎn)布置為:選取第3 跨作為動(dòng)力特性試驗(yàn)橋跨,測(cè)試該跨振型與理論振型并進(jìn)行比較。選取試驗(yàn)橋跨八分點(diǎn)作為動(dòng)力特性測(cè)試截面,采用941B 速度傳感器采集橋梁的豎向振動(dòng)速度方式進(jìn)行測(cè)試。選取第3 跨最大正彎截面(K1)作為動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試截面,采用1/4 橋測(cè)量方式進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)截面示意如圖4所示,其測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示,模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面示意如圖6所示,其測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。
圖4 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)截面位置示意圖(K1:動(dòng)應(yīng)變測(cè)試截面)
圖5 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)截面K1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(測(cè)點(diǎn)編號(hào)與靜載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同)
圖6 第3 跨模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面位置示意圖
圖7 第3 跨模態(tài)參數(shù)測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖
3.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析
(1)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
橋梁前六階豎向振動(dòng)頻率理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)頻率值見表4。
表4 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果
由表4可知,橋梁結(jié)構(gòu)豎向前六階理論計(jì)算值小于實(shí)測(cè)頻率值,說明整體剛度滿足要求。
(2)沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果
當(dāng)橋梁凈跨50 m,根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到?jīng)_擊系數(shù)μc=0.08。橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果見表5。
表5 橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果
由表5可知,按實(shí)測(cè)最大數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,即最大μ3=0.132 8,動(dòng)載試驗(yàn)效率ηdyn=0.25,μ3×ηdyn=0.033 2,小于設(shè)計(jì)規(guī)范μc=0.08,說明滿足設(shè)計(jì)要求。
(3)動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
由模態(tài)試驗(yàn)和沖擊系數(shù)測(cè)試可知,所檢測(cè)橋梁的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)正常。
4 基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)安全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
結(jié)合靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)系統(tǒng)理論特點(diǎn)的研究,建立金溪大橋全壽命安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15],主要是對(duì)車輛過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)時(shí)在線發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和分析結(jié)果,為全面了解車輛過橋時(shí)橋梁的振動(dòng)情況以及橋梁損傷的診斷提供詳細(xì)可靠的數(shù)據(jù)資料。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理及控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)預(yù)警狀態(tài)與評(píng)估子系統(tǒng),如圖8所示。
圖8 橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備包括應(yīng)變傳感器、應(yīng)變采集箱、傾角傳感器、裂縫傳感器、加速度傳感器、智能云盒、配電箱等輔材和軟件平臺(tái)。顯示界面見圖9。
圖9 金溪大橋物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面
4.1 測(cè)點(diǎn)選擇與傳感器布置
金溪大橋上部的拱肋、橫梁與橋面板等為關(guān)鍵部位,是該橋的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取應(yīng)重點(diǎn)考量:(1)剛架拱的變形觀測(cè)。監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的傾角變形,判斷拱圈的變形情況;根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合拱圈的線型,與設(shè)計(jì)的拱軸線進(jìn)行比較,判斷拱軸線是否發(fā)生重大變化。(2)剛架拱的應(yīng)變觀測(cè)。監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化情況,與理論分析進(jìn)行比較,判斷拱圈的受力狀態(tài)是否屬于正常狀態(tài)。(3)剛架拱的裂縫觀測(cè)。監(jiān)測(cè)原有裂縫處的發(fā)展情況,綜合判斷拱圈的剛度退化、極限承載力和安全度[16-18]。拱肋測(cè)點(diǎn)傳感器布置在拱肋、橫梁與橋面板上,主要用于監(jiān)測(cè)拱肋變形、應(yīng)變、裂縫等狀態(tài)。
4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
4.2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
橋梁結(jié)構(gòu)主要受力部件的應(yīng)變反映橋梁整體剛度的變化,剛度的變化將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞,因此,設(shè)置金溪大橋在線監(jiān)測(cè)表面應(yīng)變傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁控制截面的應(yīng)變,及時(shí)掌握橋梁的受力狀況。選取金溪大橋第3 跨跨中截面頂板、底板和右支座附近截面底板、頂板在2018年5月21日的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù),進(jìn)行日周期應(yīng)變數(shù)據(jù)分析,如表6所示,應(yīng)變變化規(guī)律如圖10所示。
表6 第3 跨日周期應(yīng)變數(shù)據(jù)單位:με
續(xù)表
車輛荷載變化是主梁發(fā)生應(yīng)變的主要原因。從圖10可知,主梁跨中和右支座的截面頂板與底板應(yīng)變的變化呈相反趨勢(shì)。從早上6:00 早高峰開始,車流量逐漸增大,車輛荷載的增加引起第3跨梁片下?lián)?導(dǎo)致上緣混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力增大,下緣混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力增大,且在9:00 達(dá)到極值;9:00 以后,隨著車流量的逐漸減少,主梁撓度值和上緣、下緣應(yīng)變值逐漸減小,趨于平緩;在晚高峰17:00—19:00 時(shí)段,車流量再次加大,主梁撓度值和上緣、下緣應(yīng)變值相應(yīng)增大,在19:00 達(dá)到峰值,而后逐漸減小;21:00—6:00 時(shí)段,由于夜間車流量不大,橋梁受到車載作用小,因此測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值變化幅度較小。
圖10 應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律
由于主梁中性軸到下邊緣距離大,到上邊緣距離小,因此梁片下?lián)蠒r(shí),下緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽看笥谏暇墱y(cè)點(diǎn)。2018年5月21日的實(shí)測(cè)最大應(yīng)變與最小應(yīng)變的差值即為主梁在這天內(nèi)的應(yīng)變幅度。由表6可知,第3 跨跨中截面頂板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為9.67 με,截面底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為19.49 με;右支座附近截面頂板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為9.29 με,底板測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅度為8.37 με。該主梁采用C50 混凝土,第3 跨跨中截面壓應(yīng)力幅度為0.399 MPa、拉應(yīng)力幅度為0.807 MPa;右支座附近截面的壓應(yīng)力幅度為-0.296 MPa、拉應(yīng)力幅度為0.235 MPa,符合理論分析的結(jié)果。
4.2.2 加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
(1)加速度響應(yīng)分析
選取金溪大橋2018年5月21日一天內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加速度動(dòng)力響應(yīng)分析。試驗(yàn)的1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在第3 跨的跨中截面頂板、跨中截面底板、右支座截面頂板、右支座截面底板。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備的信號(hào)頻率為1 000 Hz,一天內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量十分龐大,其中30 min 的數(shù)據(jù)已具有足夠多的振動(dòng)次數(shù),故每30 min 選取一次監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn),一天共48 個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均以該監(jiān)測(cè)時(shí)點(diǎn)前后15 min 的加速度值進(jìn)行計(jì)算,振動(dòng)強(qiáng)度用加速度響應(yīng)均方根表示。各測(cè)點(diǎn)一天內(nèi)振動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖11所示。
圖11 橋梁振動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化
從圖11可知,金溪大橋的振動(dòng)強(qiáng)度一天內(nèi)變化較大。測(cè)點(diǎn)1 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.22 cm/s2、峰值為1.23 cm/s2,測(cè)點(diǎn)2 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.20 cm/s2、峰值1.03 cm/s2,測(cè)點(diǎn)3 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.15 cm/s2、峰值0.91 cm/s2,測(cè)點(diǎn)4 的加速度響應(yīng)均方根谷值為0.17 cm/s2、峰值為0.73 cm/s2,說明該橋振動(dòng)趨勢(shì)明顯。從時(shí)間段來(lái)看,白天時(shí)間6:00—21:00 該橋振動(dòng)加速度響應(yīng)均方根值普遍大于夜間21:00—6:00,且動(dòng)力響應(yīng)變化不平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)當(dāng)天并無(wú)刮風(fēng)且溫差較小,因此,得出車輛荷載是大橋振動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生變化的主要原因。
(2)加速度數(shù)據(jù)時(shí)程分析
對(duì)金溪大橋測(cè)點(diǎn)在2018年5月21日3:00時(shí)段的豎向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析,得出結(jié)構(gòu)豎向1 階的頻率及對(duì)應(yīng)的振型,與Midas Civil 有限元計(jì)算結(jié)果相比較,得出表7和表8。
表7 實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率對(duì)比
表8 實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型對(duì)比
從表7和表8可知,金溪大橋?qū)崪y(cè)的動(dòng)力特性與模型計(jì)算的動(dòng)力特性相吻合。
5 結(jié)語(yǔ)
金溪大橋沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷,在變形及應(yīng)力方面均滿足結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的要求?？梢栽诮Y(jié)構(gòu)容易發(fā)生損傷的關(guān)鍵位置提前做好預(yù)防。如在拱頂、拱腳以及四分點(diǎn)截面變形較大的位置,布置傾角和位移實(shí)時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)截面變形,觀測(cè)拱軸線是否發(fā)生損傷;在易發(fā)生開裂損傷的下弦桿節(jié)點(diǎn)、拱腳節(jié)點(diǎn),布置相應(yīng)的傳感器,為今后拱橋修復(fù)和養(yǎng)護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)警措施。
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