楊彥海 李恩良 韓曉強(qiáng) 馬廣 王顯進(jìn) 郭西銳

1.中國(guó)鐵路建設(shè)管理有限公司，北京 100844；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308；3.杭紹臺(tái)鐵路有限公司，杭州 311200；4.智性科技南通有限公司，南通 226010

高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中，對(duì)重大橋梁結(jié)構(gòu)通常采用應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變片等設(shè)備來監(jiān)測(cè)其應(yīng)力狀態(tài)。但是受施工、材料、環(huán)境等因素的影響，這些設(shè)備易損壞，造成監(jiān)測(cè)中斷或所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差［1-2］。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP）具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等特點(diǎn)［3-4］，歐進(jìn)萍院士團(tuán)隊(duì)基于GFRP 和光纖傳感技術(shù)研制了具有自感知特性的應(yīng)變計(jì)、智能筋等監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖1所示。

圖1 玻璃纖維自感知監(jiān)測(cè)設(shè)備

應(yīng)變計(jì)、智能筋設(shè)置于混凝土構(gòu)件之中，用于監(jiān)測(cè)混凝土和鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)。目前這兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備已在公路、建筑領(lǐng)域的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用［5-10］，但在鐵路工程領(lǐng)域尚無應(yīng)用案例。因此，本文以杭臺(tái)高速鐵路椒江特大橋的一聯(lián)四線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為工程背景，對(duì)上述兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備開展應(yīng)用研究。

1 工程概況

杭臺(tái)高速鐵路設(shè)計(jì)速度為350 km/h。椒江特大橋輔助通航孔采用一聯(lián)（72.8 + 4 × 124 + 72.8）m 四線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越，梁全長(zhǎng)641.6 m，梁高5.60 ～9.60 m。主梁立面布置如圖2所示。

圖2 主梁立面布置（單位：m）

該梁采用單箱三室變高度直腹板截面，橋面頂板寬23.2 m，底板寬17.3 m。順橋向頂板厚50 ～75 cm、底板厚52 ～ 120 cm、腹板厚50 ～ 110 cm，在橋墩中心線處及各跨跨中均設(shè)置帶過人孔的橫隔板。42#—43#墩之間的試驗(yàn)斷面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)斷面布置（單位：m）

梁體采用C55 高性能混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，普通鋼筋采用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋。

主梁施工時(shí)在試驗(yàn)斷面中設(shè)置了玻璃纖維自感知應(yīng)變計(jì)和智能筋，并作為數(shù)據(jù)采集端和監(jiān)測(cè)云平臺(tái)進(jìn)行無線連接。通過系統(tǒng)輸出的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作性能。

2 數(shù)值模擬

2.1 整體模型

采用有限元計(jì)算軟件BSAS 建立主梁整體模型，主梁、橋墩支座、預(yù)應(yīng)力鋼束分別采用梁?jiǎn)卧?、支座約束、鋼筋單元進(jìn)行模擬，共劃分為258個(gè)單元、259個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型材料特性見表1。

表1 模型材料特性

自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載分別以體積力、預(yù)應(yīng)力荷載、梁?jiǎn)卧奢d的形式施加，列車荷載采用ZK 活載，以影響線的形式施加。整體模型如圖4所示。

圖4 整體模型

2.2 局部模型

局部模型能體現(xiàn)試驗(yàn)斷面所在區(qū)域的精細(xì)化受力情況。根據(jù)圣維南原理，采用有限元計(jì)算軟件FEA對(duì)包含試驗(yàn)斷面在內(nèi)的30 m 長(zhǎng)主梁節(jié)段建立局部模型，具體范圍參見圖2。

混凝土采用實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋均采用鋼筋單元模擬，共劃分為1 206 708 個(gè)單元、676 106個(gè)節(jié)點(diǎn)。順橋向?yàn)閤軸方向。

FEA 能夠?qū)?shí)體單元節(jié)點(diǎn)和鋼筋單元節(jié)點(diǎn)之間的6 個(gè)自由度進(jìn)行自動(dòng)耦合，實(shí)現(xiàn)混凝土和鋼筋共同變形和受力。自重、預(yù)應(yīng)力分別以體積力、預(yù)應(yīng)力荷載的形式施加。二期恒載根據(jù)橋面附屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際分布以均布力的形式施加。列車荷載按ZK 活載根據(jù)實(shí)際作用區(qū)域以面荷載形式施加。

局部模型兩端的位移邊界條件按簡(jiǎn)支支承施加。力邊界條件同整體模型，其中軸力由預(yù)應(yīng)力引起，各預(yù)應(yīng)力鋼束的錨下控制應(yīng)力按1 320 MPa 施加，彎矩和剪力見表2。

表2 力邊界條件

2.3 模擬結(jié)果

在自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載共同作用下整體模型和局部模型各部位順橋向應(yīng)力對(duì)比見圖5。各部位所受應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

圖5 整體模型和局部模型各部位順橋向應(yīng)力對(duì)比

由圖5 可知：①兩個(gè)模型同一部位應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，差值較大區(qū)域位于跨中附近，這是由于將跨中橫隔板換算成梁?jiǎn)卧奢d施加在整體模型上，而局部模型直接將橫隔板以實(shí)體單元建模。②整體模型頂板、中性軸、底板順橋向應(yīng)力分別在4.74 ～7.32 MPa、5.81 ～ 7.17 MPa、6.93 ～ 8.18 MPa，局部模型應(yīng)力分別在 4.43 ～ 7.02 MPa、5.41 ～ 6.83 MPa、6.54 ～7.81 MPa?？梢姡嗤课粌煞N模型的受力狀態(tài)基本一致，說明所建局部模型比較合理。以下采用局部模型的應(yīng)變計(jì)算值與實(shí)橋斷面實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝

在試驗(yàn)斷面上布置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4 位于梁頂板，距梁頂面7.3 cm，測(cè)點(diǎn)5—測(cè)點(diǎn)6 位于中腹板中性軸處，距梁底面280 cm，測(cè)點(diǎn)7—測(cè)點(diǎn)10位于梁底板，距梁底面7.5 cm，如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置

在測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)10 處分別安裝1 個(gè)應(yīng)變計(jì)用于監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變，同時(shí)在測(cè)點(diǎn)2—測(cè)點(diǎn)9處分別安裝1根智能筋用于監(jiān)測(cè)鋼筋應(yīng)變。安裝時(shí)采用尼龍帶將2種監(jiān)測(cè)設(shè)備分別綁扎固定，將帶防護(hù)套管的連接線引出橋面并連接至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，并對(duì)防護(hù)套管進(jìn)行綁扎固定。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及輸出

從2020年10月應(yīng)變計(jì)和智能筋安裝完成至2021年9月底全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，監(jiān)測(cè)云平臺(tái)每天開機(jī)2 次，每次采集數(shù)據(jù)5 min，采集頻率為3 Hz。從聯(lián)調(diào)聯(lián)試至今一直開機(jī)，采集頻率為100 Hz，數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)云平臺(tái)的用戶端設(shè)備輸出。

監(jiān)測(cè)云平臺(tái)建立以來，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和輸出均無異常。因采集頻率高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)量很大，僅以其中一個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。

2021年10月 10日上午 09：16：47 到 09：18：07 的應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖7。期間有一列16輛編組的動(dòng)車組從杭州側(cè)駛過。從車頭駛?cè)脒B續(xù)梁到車尾駛出總時(shí)長(zhǎng)約15 s，采集數(shù)據(jù)約1 500 個(gè)，對(duì)應(yīng)圖中序號(hào)3 500 ～5 000區(qū)段。其中應(yīng)變?yōu)檎硎臼芾?，?yīng)變?yōu)樨?fù)表示受壓。可見：該區(qū)段內(nèi)混凝土和鋼筋各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化較明顯，整體呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰和兩個(gè)波谷，并且第二個(gè)波峰或波谷的波動(dòng)幅度更大。這是因?yàn)檫B續(xù)梁有4個(gè)主跨，試驗(yàn)斷面布置在第一個(gè)主跨中部，試驗(yàn)斷面的受力影響線在不同主跨上符號(hào)相反。其他無動(dòng)車組通過區(qū)段應(yīng)變保持平穩(wěn)。

圖7 應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

將2021年9月至2022年1月無動(dòng)車組通過時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的實(shí)測(cè)值取平均值，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見表3。將動(dòng)車組通過前后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽康膶?shí)測(cè)值取平均值，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表3 無動(dòng)車組通過時(shí)應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

表4 動(dòng)車組通過前后應(yīng)變?cè)隽繉?shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由表3、表4可知：①無動(dòng)車組通過時(shí)，各測(cè)點(diǎn)處混凝土應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差2.38% ～6.13%，鋼筋應(yīng)變實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差1.38%～4.19%。②動(dòng)車組通過前后，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6 的混凝土和鋼筋應(yīng)變?cè)隽繉?shí)測(cè)值與計(jì)算值相差較大，因?yàn)檫@兩個(gè)測(cè)點(diǎn)位于中性軸處，動(dòng)車組通過前后該處受力變化很小，應(yīng)變?cè)隽恳埠苄　Ｆ渌麥y(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變?cè)隽繉?shí)測(cè)值與計(jì)算值相差10.83% ～15.63%，鋼筋應(yīng)變?cè)隽繉?shí)測(cè)值與計(jì)算值相差5.63%～9.45%。③混凝土應(yīng)變或應(yīng)變?cè)隽康钠罹笥阡摻?，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)場(chǎng)拌混凝土彈性模量離散性較大。

4 結(jié)論

1）所建局部模型比較合理，計(jì)算得到的應(yīng)變可用于評(píng)價(jià)GFRP自感知應(yīng)變計(jì)和智能筋工作性能。

2）兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作性能穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏。各測(cè)點(diǎn)混凝土和鋼筋實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線在無列車通過時(shí)比較平穩(wěn)，有列車通過時(shí)呈現(xiàn)出與主梁受力一致的波峰和波谷。

3）兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備均能較準(zhǔn)確地反映橋梁結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)和長(zhǎng)期受力情況，無列車通過時(shí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、列車通過前后各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽烤c計(jì)算值基本吻合。

監(jiān)測(cè)云平臺(tái)建立一年半以來，兩種監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況良好，可進(jìn)一步嘗試應(yīng)用于鐵路橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中。