独柱墩桥梁抗倾覆加固与智慧化运维技术研究

韩 鹏，李 攀，王大海

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.中铁城际规划建设有限公司，北京市 102600）

1 独柱墩桥梁工作特性与风险分析

自上世纪90年代以来，我国大型城市立交、高速的匝道桥梁较多采用独柱现浇连续箱梁结构形式，该种桥梁的下部结构形式具有减少占地、增加视野和桥梁美观的优点。但近年来，由于重载车辆长期运行导致桥梁累积性超荷，独柱墩支座累积损伤、脱空、滑移导致独柱墩桥梁倾覆事件屡次发生。

独柱墩匝道桥梁的总体受力特征有以下几点：

（1）梁体在承受极端荷载（列如大量重车偏载行驶）时，桥梁连接墩或桥台双支座位置的不利支座可能会出现负反力、支座脱空现象，进而导致梁体倾斜和内力重分布，相邻独柱墩支座受剪压及梁体破坏的可能性加大，同时大大增加梁体整体滑移、倾覆、失稳的可能。

（2）独柱墩本身是一种偏心受压构件，如果墩柱的长细比较大，再加上较大的偏心荷载作用，墩柱将存在偏压破坏的可能性。另外横向约束梁体的墩柱受梁体反作用力有可能造成其底部的压弯破坏。

（3）上部梁体横向整体刚性倾斜或者倾覆落梁。

（4）偏心超载作用下，桥梁上部结构梁体将承受很大的扭矩作用，且这种扭矩累积作用会随着桥梁跨径的增大和独柱墩数量的增多变得越来越大一旦出现梁体抗扭不足，桥梁很容易发生剪扭破坏。

桥梁移位是独柱墩匝道桥梁病害的一种，是独柱墩匝道桥破坏的初步表现。通常来说，引起独柱墩匝道桥梁移位的主要原因有以下几个方面：

第一，由于桥梁运营期间的外力引起的桥梁位移，例如梁体承受极端荷载（列如大量重车偏载行驶）、汽车制动力、离心力等引起的梁体位移会直接导致桥梁限位装置的破坏、梁体挡块的破坏及梁体移位；

第二，由于桥梁运营期间的温度应力引起的桥梁位移；

第三，由于自然力或偶发事故引起的桥梁位移，例如洪水、地震、车船撞击或其它突发原因等引起的桥梁限位装置破坏、梁体挡块破坏及梁体移位；

第四，原设计滑板支座或盆式支座缺少限位装置等设计或施工不当引起的梁体移位。

2 独柱墩桥梁模块化加固技术

采用模块化钢盖梁加可调高度双支座实现独柱墩辅助支撑，加强防侧滑、抗倾覆安全度，见图1。增设支座的原则是：现有支座仍起主要承载作用，新增设的左右双支座起到“保险”作用，恒载作用下通过初压力确保与结构贴合，活载作用下受力，提高桥梁的抗倾覆能力。

主要施工步骤如下：

（1）工厂预制钢抱箍及钢牛腿，运至工程现场；

（2）利用桥墩承台作为工作面，在桥墩底部进行拼装。初拧钢抱箍的对拉高强螺栓，两侧钢结构形成一个整体；

图1 独柱墩桥梁加固模块示意图

（3）利用提升设备将整体钢结构提升至墩柱顶部；

（4）根据钢抱箍预留孔位种植锚栓，应事先探明墩柱的主筋位置，植筋孔避开主筋位置；

（5）拧紧抱箍处对拉高强螺栓(终拧)，其值应满足《钢结构高强度螺栓连接技术规程》要求，再拧紧锚固螺栓。通过注结构胶来填补钢抱箍和混凝土立柱之间缝隙，使两者密贴，以提供强大的抱箍力及粘接力；

（6）增设两侧板式橡胶支座，在新增支座对应的梁底通过植筋方式设置上支座楔形钢板，钢板底面和支座顶面应保持水平，上支座楔形钢板和梁底之间空隙用粘钢胶进行粘结。原有支座仍起主要承载作用，新增设的左右双支座起到“保险”作用，恒载作用下通过初压力确保与梁底贴合，活载作用下受力；

（7）钢盖梁的顶部设置支座下垫石，其高度根据新增支座厚度和梁下空间灵活控制，垫石顶部预埋钢板。支座下部设楔形钢板，通过敲击方式使支座安装紧密，要求新安装支座与梁体底板接触密实，自重作用确保能承担一定的初压力。支座安装密实后将楔形钢板之间焊接，楔形钢板整体再与下支座垫石顶部的预埋钢板焊接，并采用角钢对楔形钢板和支座进行限位。

该模块化方案特点在于：

第一，通过钢板圈抱箍力与部分植入锚筋将墩柱与钢盖梁连接为一体。

第二，通过抱箍力实现钢盖梁与柱连接造型简洁、自重轻、盖梁开口施工焊接及后期养护方便、适应性强易推广。

第三，增设钢盖梁加固施工快、周期短，对桥面交通影响较小。

独柱墩桥梁模块化加固现场见图2。

图2 独柱墩桥梁模块化加固现场图

3 物联网智慧化运维技术

3.1 政策背景

在“互联网+”战略背景下，国家加快推进道路交通基础设施与互联网深度融合，推动交通智能化发展，2016年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《国家信息化发展战略纲要》，要求加强顶层设计，提高城市基础设施、运行管理、公共服务和产业发展的信息化水平，分级分类推进新型智慧城市建设。加快电力、民航、铁路、公路、水路、水利等公共基础设施的网络化和智能化改造。同月，国家发改委、交通运输部联合发布了《推进“互联网+”便捷交通促进智能交通发展的实施方案》（发改基础[2016]1681号），要求建设智能交通基础设施先进感知监测系统，加强交通基础设施网络基本状态的信息采集，推动国家公路网建设和运行的监测、管理和服务平台构建。

2017年5月，住房和城乡建设部、国家发改委印发《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》，要求提升市政基础设施智慧化水平和绿色发展水平，推进智慧城市建设，提高城市安全运行管理水平。开展市政基础设施信息化、智慧化建设与改造，建立全国城市市政基础设施数据库，依托已有基础建设完善全国城市市政基础设施监管平台。

3.2 桥梁安全运维物联网系统

以桥梁安全运维物联网为代表的“互联网+”智慧道桥系统，是一种以新型技术为载体的智慧型服务。通过传感器、网络通信、云计算等技术手段，将道路、桥梁及其附属市政基础设施实现普遍覆盖的智慧化提升，以数据层面的集约化管理向城市生活提供智慧化服务。该系统用技术手段使传统“纯承载”方式的市政设施变得有感知、有思维，用数据层面的共享和沟通实现道路、桥梁和城市服务机构之间的融会贯通。

桥梁安全运维物联网系统的总体构架为[1]：以确保桥梁结构和运营安全为核心目标，在桥梁关键部位，针对关键指标，通过传感器系统实现24 h不间断、实时、在线监管；同时，以巡检机器人、无人机等智能手段实现桥梁巡检工作的智慧化提升，解决可达性、安全性和人力成本等方面的瓶颈问题，使得巡检频度和质量得到显著提升。基于云平台和大数据技术，由专业机构为主管部门长期提供桥梁安全监管的“一站式”智慧服务，成为“智慧城市”战略构架的重要组成部分。通过云平台对运维、设计资料等数据进行集约化管理；以计算机终端、手机客户端等形式为管理部门不同用户以不同权限层级的模式提供“智慧服务”，在风险事件条件下，及时通过手机短信、客户端信息等形式向用户提供告警和预警。

系统基本构架见图3。

图3 桥梁物联网系统构架

3.2 独柱墩桥梁安全运维在线传感系统

以现代传感技术和物联网、云计算技术，构建城市道路交通智慧运维系统，整合道路、桥梁和附属设施相关的结构状态、运维环境、运行荷载、交通状况等数据资源，构建信息化综合管理和服务平台，推进“互联网+”时代城市基础设施运维安全管理的信息化、智慧化提升。

独柱墩抗倾覆加固模块中，定制开发基于光纤光栅传感技术的支座受力监测传感装置，实时、高频度采集支座受力和变形状态，同时，以光纤光栅应变计采集钢盖梁应力显著区域的应变状态，实现加固后运维期内结构受力关键指标的长期在线监管。

通过对常用球钢支座、橡胶支座附加该类型传感器，可实现支座变形的高频度实时监测，设备反应灵敏，变形量程适用性强，耐候性好。采用外置式安装方式，可广泛适用于新建和既有桥梁多种类型的支座。在上海市G1501郊环线、外环高速、福州市某立交匝道桥梁的应用表明，系统可实时、准确、高效监测支座受力，及时侦测由于重载车辆通行导致的桥梁偏载、荷载突变等潜在风险。

对独柱墩桥梁设置支座受力传感器和位移传感器，对独柱墩支座不平衡受力、墩梁相对位移和梁体侧倾变形进行长期实时采集。每个桥墩的系统构成见表1。独柱墩桥梁物联网传感设备见图4。

表1 独柱墩桥梁物联网运维传感设备（单个桥墩）

图4 独柱墩桥梁物联网传感设备

高峰期（夜间重车通行频繁）典型的支座受力显著性响应见图5。数据的实时监控，可为在风险事件条件下提供即时告警；数据的长期积累，可为桥梁管理部门的管养工作以提供技术依据和数据支撑。远期，亦可以数据接口的方式，与交通管理监控系统实现重载交通的协同管理。

3.3 独柱墩桥梁支座智能巡检技术

采用专业性桥梁巡检无人机为独柱墩桥梁支座巡检提供技术辅助和增值服务，该设备显著特征在于：基于四旋翼无人机平台，便于在桥下接近梁体和桥墩的狭小空间进行精确制导飞行，在飞行器顶部安装专用稳定云台，搭载小型高清摄像装置和旁轴照明补光设备，同时，飞行器顶部和旋翼加设碰撞防护装置，以适应在近结构位置飞行的安全和稳定性需求。

实践表明，该专业无人机可在顶部防碰撞支架保护下，实现桥梁支座的平视或略俯视观测，巡检效率高，可达性和安全性较好。

“在线监测”和“智能巡检”作为桥梁运维数据的两条基本采集途径，是“桥梁安全运维物联网系统”的前端构成。“在线监测”对桥梁结构实施安全指标全时采集，“智能巡检”以现代化装备和技术手段实现桥梁“高频度”、“全覆盖”体检，两者共同构成桥梁运维状态的“神经元”系统，为道桥运维管理部门提供更高效、更便捷的智慧服务。

4 结语

针对独柱墩桥梁抗倾覆需求，本文提出模块化加固技术方法，并结合现代物联网技术，针对与独柱墩运维安全直接相关的关键指标，构建了在线传感和智能巡检相结合的智慧化运维体系。

以互联网为核心的独柱墩桥梁安全运维智慧服务系统，将桥梁支座由传统的纯受力构件，提升为可感知的智慧终端；将传统以人工巡检为主的经验性运维管理，提升为区域化、长线路、以数据为支撑的智慧化精细管理体系。同时，通过运维指标的长期感知、评估，将独柱墩加固工作由单次“项目模式”，转变为由专业技术团队长期、主动关怀的“服务模式”。

促进大数据、物联网、云计算等现代信息技术与市政基础设施深度融合，是城市管理和服务领域发展的重要方向。以模块化加固、实时感知和智能巡检为代表的独柱墩桥梁管养创新体系，是对国家“互联网+”战略的直接响应，也是增强城市基础设施精细化管理水平、提升市政基础设施公共服务水平的重要举措，具备良好的现实意义和产业化推广前景。