王善巍，蘇 和，潘永杰，彭家禹

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；2.內(nèi)蒙古禹邦電子科技有限公司）

1 引言

隨著在役橋梁結(jié)構(gòu)老化日趨嚴(yán)重，且交通量持續(xù)增多，橋梁的安全監(jiān)測和養(yǎng)護管理日益受到關(guān)注?！丁笆奈濉惫佛B(yǎng)護管理發(fā)展綱要》（交公路發(fā)〔2022〕46號）指出，要“形成主動發(fā)現(xiàn)、智能分析、自動預(yù)警、響應(yīng)及時的工作閉環(huán)，提升監(jiān)管效能”，《交通運輸部關(guān)于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》（交公路發(fā)〔2020〕127 號）提出“要加快推進隱患橋梁評估工作，健全橋梁運行安全的長效機制”。

受成本及技術(shù)的限制，現(xiàn)有橋梁養(yǎng)護管理主要以人工巡檢為主，檢查結(jié)果存在兩個方面的問題，一是受檢查人員經(jīng)驗、責(zé)任心等主觀因素影響[1，2]，增加了檢查結(jié)果的不確定性；二是檢測方式主要以目視為主，導(dǎo)致對病害的發(fā)生時間、嚴(yán)重程度、產(chǎn)生原因等深層次問題了解不清。因此，針對橋梁的養(yǎng)護管理決策，明確橋梁加固維護的重點，探尋通過構(gòu)建體系化的橋梁監(jiān)測和養(yǎng)護系統(tǒng)實現(xiàn)對未知風(fēng)險早發(fā)現(xiàn)、早處置的方法，繼而將養(yǎng)護對策前置和輕量化[3]是亟待解決的問題。針對橋梁病害，明確病害產(chǎn)生的根本原因及演化過程，有助于為病害橋梁下一步的加固設(shè)計提供方向[4]，為養(yǎng)護對策提供精準(zhǔn)方案。隨著傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁的數(shù)字化監(jiān)測及養(yǎng)護管理迎來新的發(fā)展契機。

裝配式梁橋在我國北方地區(qū)數(shù)量眾多、分布廣泛。以裝配式梁橋為例，本文依托內(nèi)蒙古自治區(qū)G111線皇姑屯橋開展的數(shù)字化監(jiān)測及橋梁養(yǎng)護工作實踐，實現(xiàn)了數(shù)字化分析方法在橋梁養(yǎng)護管理方面的應(yīng)用，利用裝配式橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的實時更新和迭代分析，達(dá)到對橋梁安全狀況的實時監(jiān)測與數(shù)字化養(yǎng)護，具有較好的應(yīng)用效果。本文所提的數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)能夠有效推動橋梁養(yǎng)護管理水平的提升，實現(xiàn)隱患橋梁的快速安全評估，為橋梁的監(jiān)測與狀態(tài)評估研究提供了新的思路。

2 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)框架及指標(biāo)

2.1 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)的總體框架

橋梁數(shù)字化是以信息化為基礎(chǔ)，為橋梁提供安全預(yù)警，大幅度提高橋梁養(yǎng)護管理能力的有效工具。數(shù)字化監(jiān)測方案的設(shè)計一方面要盡可能使得橋梁病害的表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠反映橋梁承載力的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)[5]，另一方面要把橋梁數(shù)字化養(yǎng)護實時數(shù)據(jù)為主的思路拓寬為實時、長期、連續(xù)性[6]數(shù)據(jù)驗證的解決方案。因此，本文針對橋梁的數(shù)字化方案采用了如圖1所示的系統(tǒng)框圖。

圖1 橋梁數(shù)字化系統(tǒng)框架圖

由圖1可知，系統(tǒng)框架的前端利用橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)，可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動傳輸與處理管理系統(tǒng)等對橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測；用戶端利用數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)對前端采集的數(shù)據(jù)進行模擬化運算和養(yǎng)護需求匹配，為管理和業(yè)務(wù)協(xié)同提供決策依據(jù)。

2.2 裝配式橋梁數(shù)字化系統(tǒng)指標(biāo)

為了更好地獲取橋梁狀態(tài)并指導(dǎo)養(yǎng)護作業(yè)，本文所提裝配式橋梁數(shù)字化系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能是：監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)主要部位的受力特征數(shù)據(jù)或整體性能[7]，并對橋梁的承載能力進行科學(xué)評價；監(jiān)測實時車輛荷載作用下的撓度、彈性狀態(tài)、橋梁整體剛度狀況、橋梁橫向分布、殘余變形和累計殘余變形、變形回彈狀況等，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動傳輸與處理分析直接為用戶提供監(jiān)測結(jié)果；與傳統(tǒng)靜載監(jiān)測方法不同，無需在橋下設(shè)支承點，可全天候長時間不間斷進行橋梁結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測。裝配式梁橋數(shù)字化系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及指標(biāo)如圖2所示。

在圖2中，橋梁剛度是橋梁強度和整體受力性能的反映[8]，如果剛度下降或一定時間下降較快，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度小于設(shè)計剛度說明橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了問題[9-13]。橋梁結(jié)構(gòu)變形（撓度）是橋梁結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)和橋梁承載能力評定的重要內(nèi)容和依據(jù)[14]，該指標(biāo)可指導(dǎo)對通行車輛的超限超載等治理。橋梁結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)要求汽車荷載離開后其產(chǎn)生的變形能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)，殘余變位要小于20%，否則需進行加固處理。累計殘余變位主要表征長期累積殘余變形是否超過了設(shè)計允許變形的20%。荷載橫向分布系數(shù)是主梁在橫向分配到的汽車荷載比例，納入該指標(biāo)主要是考慮到裝配式梁橋橫向聯(lián)系損壞比例較高導(dǎo)致“單板（梁）受力”現(xiàn)象。橋上荷載識別主要通過對某一時段監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)分析通行車輛的數(shù)量及荷載的噸位，特別是監(jiān)測出現(xiàn)超過設(shè)計規(guī)范要求的荷載，以免對橋梁造成隱性損傷[15]。

3 應(yīng)用案例

3.1 橋梁概況

皇姑屯橋建于2005 年，設(shè)計荷載為汽車-20、掛-100。橋梁全長43.04m，橋梁寬度為0.5m 防撞墻+凈11.5m+0.5m 防撞墻。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用3×13m 混凝土簡支空心板梁。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要病害為第三跨部分鉸縫滲水，部分板梁跨中位置有橫向裂縫。

3.2 監(jiān)測方案設(shè)計

分析皇姑屯橋的具體情況后，采用附著式橋梁在線監(jiān)測裝置監(jiān)測橋梁主梁跨中截面的豎向變形，實際測點布置于3-5#梁跨中截面，其中3是指沿橋梁樁號前進方向第3跨，5是指沿橋梁樁號前進方向由左向右第5片主梁。測點布置如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁立面及平面測點布置示意圖

圖4 橋梁橫斷面測點布置示意圖（cm）

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1 橋梁整體剛度

通過靜載試驗，結(jié)合監(jiān)測設(shè)備獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得皇姑屯橋的上部結(jié)構(gòu)剛度標(biāo)定結(jié)果，并與按設(shè)計圖紙計算得到的理論計算剛度進行比較，見表1。

表1 剛度標(biāo)定及理論計算結(jié)果

由上表可知，案例對象橋梁上部結(jié)構(gòu)的標(biāo)定剛度明顯小于理論計算剛度，表明該橋上部結(jié)構(gòu)的剛度有顯著折減；但3-5#板的單梁標(biāo)定剛度較單梁理論剛度增大了18.3%，表明該橋的整體剛度受橫向整體性影響顯著。

3.3.2 橋梁結(jié)構(gòu)彈性

由監(jiān)測數(shù)據(jù)計算所得的皇姑屯橋回彈時間變化時程曲線如圖5所示，可見該橋的日均回彈時間為0.80s～0.85s；日最大撓度對應(yīng)回彈時間為0.98s～1.58s，與汽車在監(jiān)測橋跨上的行駛時間吻合。日最大回彈時間為2.00s～3.78s，主要分布于1.45s～2.20s 范圍內(nèi)，出現(xiàn)回彈時間較長的主要原因為重車行駛速度較慢及多輛重車連續(xù)通過。數(shù)據(jù)表明，梁體受到載荷作用后產(chǎn)生的變形能夠恢復(fù)，說明梁體處于彈性工作階段。

圖5 回彈時間變化時程曲線

3.3.3 橋梁橫向分布系數(shù)

結(jié)合橋梁設(shè)計圖紙，通過有限元分析對皇姑屯橋梁在試驗加載工況下的相對橫向分布系數(shù)進行理論計算，并與實測結(jié)果進行對比，相對橫向分布系數(shù)對比如圖6所示。

圖6 相對橫向分布系數(shù)對比圖

由圖6可知，該橋橋梁橫向連接狀況和橫向整體性較差，特別是在2#板梁與3#板梁、5#板梁與6#板梁之間出現(xiàn)了實測值嚴(yán)重偏離理論值的情況，表明該橋梁的橫向連接出現(xiàn)問題。

3.4 數(shù)字化分析后的養(yǎng)護建議

由案例橋梁的數(shù)字化分析可知，皇姑屯橋梁存在一定的隱患，制定養(yǎng)護方案時需要特別注意以下問題：①由于皇姑屯橋剛度下降較多，應(yīng)及時采取加固措施提高橋梁剛度及抗彎能力；②對皇姑屯橋3-2#板梁與3-3#板梁、3-5#板梁與3-6#板梁之間的鉸縫進行加固處理，提升上部結(jié)構(gòu)整體性的同時增強整體剛度，以改善受力分布不均勻的情況；③為了延長3-9#板梁使用壽命，建議采取預(yù)防性加固措施，提升該板梁的抗彎能力；④通過對載荷數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，皇姑屯橋梁上的超載車輛主要集中在每日20：00 至次日凌晨8：00 之間，建議將這一時段作為治超的重點時段。

4 結(jié)語

為了確保橋梁養(yǎng)護管理決策基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠反映橋梁的真實技術(shù)狀況，有必要推廣實施數(shù)字化技術(shù)在裝配式梁橋日常養(yǎng)護管理中的應(yīng)用。通過數(shù)字化分析，可對橋梁安全隱患進行定性分析，指導(dǎo)養(yǎng)護資金的合理投入，有助于實現(xiàn)養(yǎng)護方案的精準(zhǔn)度。此外，經(jīng)過長期不間斷的橋梁結(jié)構(gòu)受力特征檢測，能夠積累橋梁結(jié)構(gòu)在運營期的變化規(guī)律，從而為進一步完善橋梁設(shè)計理論和施工提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)支撐。