基于长期监测的大跨度连续刚构桥安全评定

■蔡建辉

（福建省高速公路有限责任公司南平管理分公司，南平353000）

基于长期监测的大跨度连续刚构桥安全评定

■蔡建辉

（福建省高速公路有限责任公司南平管理分公司，南平353000）

通过在线监测系统，对一座主跨布置（90+2×170+90）m的连续刚构桥的静动力特性进行了连续6年监测，分析了长期变化趋势。进一步结合外观检测结果，对该桥长期工作性能进行了评估。研究结果表明该桥总体工作性能稳定，可以为同类桥梁的工作性能评定提供依据。

连续刚构桥动应变支座位移下挠长期监测安全性能

1 绪论

随着我国交通事业的飞速发展,我国桥梁建设已经进入了一个快速发展时期。近年来,我国先后建造了近百座大跨度桥梁，鉴于大型桥梁工程具有投资大、设计周期和使用年限长、工作环境恶劣，易受周围大气、温度、湿度及天气的影响而发生劣化以及长期承受动荷载等特点，因而建立大跨桥梁结构健康监测及状态评估就显得非常必要[1-2]。通过恰当的监测手段及时了解桥梁结构的健康状况，特别是有可能在早期就发现危及安全的隐患，对确保结构安全起到至关重要的作用，同时也为结构维修加固提供必要的依据，具有重要的社会意义和经济价值。

2 工程背景

2.1 连续刚构桥介绍

某主桥上部结构为跨径90m+2×170m+90m的四跨预应力混凝土变截面连续刚构箱梁，总长520m，桥面标准宽度：0.5m+11m+0.5m+0.5m（分隔带）+0.5m+11m+0.5m。由上、下分离的两个单箱单室截面组成，箱梁根部高10.0m，高跨比为1/17.0，跨中梁高为3.0m，高跨比为1/56.7，箱梁顶板宽12.0m，底板宽6.0m，翼缘板悬臂长3.0m。主桥桥墩采用预应力混凝土薄壁空心墩，高桩承台、群桩基础。设计荷载：汽车-超20级，挂车-120，大桥于2003年9月竣工。

图1 桥梁全景图

2.2 在线监测系统介绍

大桥分为左右两幅，该桥长期健康监测系统的实施分初步建立和逐步完善两个阶段[3]。第一阶段主要完成对桥梁结构关键部位和重要状态参数的监测，重点完成“健康状态实时监测数据采集、数据本地传输及数据显示与查询系统”的建立；第二阶段是完成数据的远程传输、实现系统的远程控制、系统硬件设备的进一步优化和配置、完善监测数据处理和桥梁结构的健康评价系统。到2007年4月已经完成了健康监测系统的设备安装与现场调试工作，系统正式投入试运行。截至2016年，该健康监测系统经历了9年多的运行考核，系统运行情况良好。对桥梁8个断面各种信号进行监测，监测断面见图2，其中典型的应变和温度监测断面见图3和图4。

图2 大桥监测项目布置图

图3 应变测点布置示意图

图4 温度传感器布置示意图

3 静动力特性监测

3.1 动应变

通过对主梁各控制截面应变进行监测，能直接了解各测点处的应变状态，为总体评判桥梁的安全性和耐久性提供依据，而且还能通过控制点应状态变化来发现桥梁结构状态的变异。

应变测试采用的是日本东京测器研究所的WFLM-60-11型应变计。通过动应变的变化得到过桥车辆的应变响应。应变数据的最大值与该时段平均应变的差值来评价，具体取值方法见图5，当车辆通过该测点截面时，对应变的影响时间不超过10s，故应变平均值取为车辆通过10s内（前后各5s内）应变的平均值。

图5 车载作用应变差值示意图

通过统计E断面最大的纵向拉、压应变和最大横向拉应变见表1，可以看出截面的应变没有明显变化。根据文献[4]，在桥梁设计荷载作用下，跨中截面的最大纵向拉压应变分别为85με和-42με。所以，汽车荷载作用下桥梁的响应均小于设计荷载作用的响应。说明，目前桥梁运行的车辆荷载总体小于设计荷载，桥梁也处于正常工作状态。

表1 汽车荷载作用下跨中截面应变监测结果

3.2 动位移

桥梁的振动位移是衡量桥梁振动水平的一个重要标志。当车辆的振动频率与桥跨结构的自振频率一致时，即形成共振，其振幅比一般的振动大很多，振幅的大小与桥梁结构的阻尼大小及共振时间的长短有关。

动位移监测采用中国地震局工程力学研究所的941BX型动位移传感器。在位移时程曲线上将最大动挠度减去动挠度平均值即可得出位移振幅，见图6，当车辆通过该测点截面时，对动位移的影响时间大概为20s，故动位移平均值取为车辆通过20s内（前后各10s内）位移的平均值。

根据监测结果，得到跨中截面的竖向、横向动位移起伏最大，1/4截面次之，桥墩墩顶截面最小。因此，对9年来E断面的最大横向和竖向位移进行分析，结果见表2。可以看出动位移也没有明显变化规律，竖向最大动位移小于设计车辆荷载作用产生的竖向最大动位移11.6mm，因此动位移也处于正常工作范围。

图6 车载作用动位移振幅示意图

表2 E截面竖向动位移测点监测结果

3.3 模态特性

采用基于MATLAB平台的峰值法（PP，Peak-picking method）和随机子空间法（SSI，Stochastic SubspaceIdentification）进行模态识别，两种方法的结果可以相互校核[5]。

表3为2013年2～5月模态数据处理得到的频率。可以看出峰值法与随机子空间法识别出来的频率基本吻合，可以进行互相校核。还可以看出大桥的各阶模态频率2～5月统计的各阶模态频率变化幅度最大达到7.537%。一阶竖向频率可以直接反映桥梁整体竖向刚度的变化，为了最大限度地降低其它因素对频率的影响，将每年3个月一阶频率的平均值进行比较（见表4），可以看出，频率没有明显变化，说明主梁的刚度没有发生明显变化。

表3 频率统计表（2013年2～5月）

表4 竖向一阶频率的变化值

3.4 支座位移

监测支座可以对支座和伸缩缝的工作性能进行评估，可以为大桥的安全运营、寿命评估以及支座更换提供依据[6-7]。支座位移监测采用中国地震局工程力学研究所的SW系列拉线相对式位移传感器。

各支座位移传感器布置见图7，全桥左幅共布设6个拉线位移传感器（其中纵向4个、横向2个），另外右幅也布设了两个横向位移传感器。在对大桥进行监测时，分水关侧的4个支座都向福安湾坞方向的发生了较大纵向偏位，见图8。福安湾坞侧的支座也向分水关侧发生纵向偏位。桥梁总体缩短。设定20℃（大桥合拢温度）时桥梁的纵向支座位移值为处理纵向支座位移的基准值，每年测量支座偏离初始安装位置的距离，LD-L-1点支座偏离位置最大，每年的偏离距离见表5，可以看出，支座偏离距离略有增大，与桥梁混凝土的收缩徐变有关。

图7 拉线相对式位移传感器测点布置图

图8 支座纵向位移（分水关侧）

通过纵向位移传感器测试桥梁纵向位移每天变化的规律，支座纵向位移呈现比较规律的类似正弦波运动，一天内的支座能够基本复位，如图9所示。统计每年支座纵向位移的最大值（见表5），结合支座的偏位和变化规律，可以看出，目前的支座位置和伸缩缝的变化都在设计范围内，但支座偏位呈现增大的趋势。

表5 支座位移变化

图9 支座位移24小时变化曲线

3.5 主梁下挠

通过防撞栏布设的47个永久挠度观测点，利用精密水准仪进行高程测量，以2004年3月第一次测量观测点高程为基准值，测量各跨挠度变化最大值，取值为跨中相对于两个墩顶的挠度下降值。中跨最大下挠值见表6，可以看出跨中下挠较大，与2004年3月相比较，至2016年10月，最大下挠为3.02cm，而且跨中下挠呈增大趋势，如图10所示。

表6 跨中最大下挠

图10 大桥最大挠度变化趋势

4 外观检测结果分析

4.1 附属设施分析

2015年4月对附属设施进行了检查，各项目状态等级参照《公路桥梁技术状况评定标准》评估结果如下：

（1）支座：该桥右幅发现1个支座橡胶体裂纹。2个支座橡胶体开裂。22个支座偏压；左幅发现5个支座剪切变形；39个橡胶体裂纹，8个橡胶体开裂。判定此项目状态为良好，得分90。

（2）伸缩缝：左、右幅伸缩缝锚固砼完好，型钢无扭曲变形等现象。判定此项目为良好状态，得分95。

（3）桥面铺装：该桥桥面铺装层整体完好，无开裂、坑槽、龟裂等缺陷。判定此项目状态为良好，得分90。

4.2 主梁裂缝分析

2004年3月、2004年8月、2005年3月和2011年4月共四次对桥梁内外进行裂缝观测，结果如下：

2004年3月：箱外底板左右幅共出现11条裂缝，无超限宽裂缝，最大缝宽为0.16mm，箱内顶板左右幅共出现59条微裂缝，最大缝宽为0.14mm。左右幅跨中横隔板共出现28条纵向裂缝，最大缝宽0.28 mm。

2004年8月：箱外底板左右幅共出现8条新裂缝，无超限宽裂缝，最大缝宽为0.12mm，箱内顶板未出现新裂缝。左右幅跨中横隔板未出现新裂缝。

2008年3月：箱外底板左右幅未出现新裂缝。箱内顶板新出现6条裂缝，最大缝宽0.10mm，2处裂缝流白灰。左右幅跨中横隔板未出现新裂缝。

2014年4月：发现右幅有20条斜向裂缝，总长16.8m，主要分布在左右侧翼缘板处；纵向裂缝29条，主要分布T梁腹板与翼缘板交接处及箱梁底板；箱梁底板原有裂缝经过修补后少数发现有继续延伸的现象；左幅检查发现有16条斜向裂缝，总长11.1m，主要分布在T梁翼缘板处，22条纵向裂缝，总长32.3m。

梁体出现无明显规律的裂缝，且四次梁体裂缝条数呈递减趋势，出现裂缝的缝宽最大值也逐渐变小，重点监测裂缝缝宽无明显变化，缝宽趋于稳定；裂缝深度为4.00cm，均为非结构受力产生的表面裂缝，对受力无明显影响。

5 结语

（1）2007年至2016年这9年来，进行了大桥静动力特性进行了在线监测结构的最大应变和结构动位移没有增大的迹象，且均小于设计荷载作用下的计算值。模态频率也没有明显增大。支座偏离初始安装位置最大达20.9cm，且每年有增大的趋势，但支座偏离和伸缩缝的伸缩量都在设计允许范围内。桥梁的附属设施也基本完好。

（2）桥梁跨中下挠比较稳定，最大下挠为3.02cm，远小于预拱值13.7～16.4cm。大桥主桥附属设施基本完整。主梁梁体裂缝条数呈递减趋势，裂缝的缝宽最大值也逐渐变小，重点监测裂缝缝宽无明显变化，主桥的最大裂缝宽度小于预应力混凝土梁的裂缝限值0.20mm。

（3）桥梁的静动力特性监测和外观检查结果表明：大桥整体工作性能稳定，各种受力响应平稳，且跨中下挠很小且已经基本稳定，裂缝也没有发展。对于大桥的养护，除了进行正常的日常养护，3年一次的定期检查外，还需要进行每年两次的线形监测以及特殊事件，如台风、地震后，结合健康监测系统进行桥梁状态的评估，动态地掌握桥梁的长期工作状态。

[1]宗周红，牛杰，王浩.基于有限元模型确认的桥梁概率损伤识别方法研究进展[J].土木工程学报,2012,45（8）:121-130.

[2]梁鹏，李斌，王晓光，等.基于桥梁健康监测的传感器优化布置研究现状与发展趋势[J].建筑科学与工程学报，2014,331（1）：120-129.

[3]宗周红，徐立群，孙建林，等.连续刚构桥健康监测系统的设计与研究[J].铁道学报，2009，31（5）：65-71.

[4]福建省交通建设工程试验检测中心.福宁高速810m特大夸连续刚构桥主桥汽车静动载试验报告[R].福州，2003.

[5]De Roeck G，Peeter B.MACEC2.0-Modal Analysis on Civil Engineering Constructions.Belgium:Department of Civil Engineering[D]，Catholic University of Leuven，1999.

[6]宗周红，朱三凡，夏樟华.大跨径连续刚构桥安全性能评估的综合分析方法[J].铁道学报，2011.7，33（7）:110-117.

[7]宗周红，朱三凡，夏樟华.大跨径连续刚构桥安全性能评估的基准有限元模型[J].铁道学报2011.9，33（9）:94-101.

福建省交通科技项目资助（201354）