不中断交通下装配式梁桥的挠度监测与性能评估

宋粉丽 于品德 马赟 李华

摘 要：桥梁结构挠度是反映结构整体受力性能的关键指标之一，对桥梁结构性能评估具有重要意义。本文以河南省某装配式箱梁桥为例，在不中断交通的情况下，对关键截面的动挠度进行监测，通过监测数据统计了动挠度横向分布并计算了冲击效应，同时与理论状态下挠度数据及冲击效应进行了对比，探讨了不中断交通下桥梁性能评估的方法。

关键词：不中断交通;梁桥;动挠度;监测;性能评估

中图分类号：U446.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0106-04

Deflection Monitoring and Performance Evaluation of Assembled Beam Bridges without Interruption of Traffic

SONG Fenli1，2 YU Pinde1，2 MA Yun1，2 LI Hua1，2

（1. Henan Transporation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450015;2. Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： The deflection of bridge structure is one of the key indexes reflecting the overall mechanical performance of the structure， which is of great significance to the performance evaluation of bridge structure. In this paper， taking a fabricated box girder bridge in Henan Province as an example， the dynamic deflection of key sections was monitored without interruption of traffic， the transverse distribution of dynamic deflection was calculated and the impact effect was calculated through the monitoring data， and compared with the deflection data and impact effect under the theoretical state to evaluate the performance of the bridge.

Keywords： uninterrupted traffic;beam bridge;dynamic deflection;monitoring;performance evaluation

桥梁结构挠度是在受力或非均匀温度变化时，梁轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。影响结构挠度的因素主要分为两类：一是瞬态变化指标，如车辆荷载效应;二是缓慢变化指标，如混凝土的徐变、预应力损伤、构件缺损、环境温度等。桥梁结构的挠度综合反映桥梁结构的整体受力性能，因此挠度是桥梁评估的关键指标之一。桥梁挠度的监测方法很多，可根据监测评估的需要及現场实施条件来确定[1-3]。本文采用非接触式动态挠度监测系统，在不中断交通的情况下，对某重载交通桥梁进行了动挠度监测[4-6]，并将监测数据与理论数据进行对比，判别了监测数据的可靠性，利用所测数据对装配式桥梁冲击效应进行评估。

1 挠度监测考虑因素

受监测目的、监测精度要求、仪器设备监测方式和数据采集方式等不同的影响[7]，桥梁挠度监测的实现方法较多，实际挠度监测需要考虑的因素如表1所示。

2 装配式梁桥挠度监测

2.1 装配式梁桥挠度监测特点

装配式混凝土梁桥，如空心板、T梁、预制箱梁，在车辆荷载下，其挠度有如下特点：装配式桥梁挠度具有空间变形特点，纵向挠度反映预制梁本身的力学性能，横向挠度反映了桥梁整体受力性能，因此需要在全截面布置监测点;装配式梁桥跨径一般小于50 m，车辆作用下挠度值小，对监测的精度要求高;不中断交通下，车辆通行时间短，对监测设备采集频率要求高;该类桥梁量多面广，要求监测方法简单方便，易于实现。因此，装配式梁桥挠度监测宜采用非接触式监测设备，进行动态数据采集[8]。

2.2 不中断交通下挠度监测方法

非接触式动态挠度监测系统采用图像模式识别技术与模板匹配跟踪算法相结合研制的监测设备，如图1所示。其基本原理是：以关键截面挠度监测点为目标点，由高频工业相机获取目标点的实时图像，通过模板匹配获取目标点像素变化，通过尺寸标定得出像素大小与实际尺寸的比例系数[r]，将像素坐标变化量与比例系数相乘，计算得到目标点的实际位移[9]。

非接触式动态挠度监测系统由高频工业相机及镜头、计算机采集分析软件及相关辅助设备集成，操作简单、携带方便，适用于不中断交通下装配式桥梁挠度监测。运营情况下，桥梁挠度监测的一般流程为：制定监测方案，选取监测截面，布置监测点;确定监测参数，如监测时长、采样频率、监测周期等;现场监测，获取挠度数据，处理监测数据，获取结构的挠度分布;依据挠度监测结果，结合结构分析，对桥梁性能进行评估;定期进行监测评估，分析桥梁性能指标的发展趋势。

3 动挠度监测数据处理

3.1 挠度峰值与车辆荷载

动挠度数据反映了一段时间内车辆通行状况与桥梁挠度的对应关系[10]。如图2所示，无车辆时，挠度曲线是一条平直的曲线，当车辆通过时，挠度曲线发生明显的突变，出现各种峰值，并且峰值的大小与车辆的质量有直接关系。因此，通过分析挠度监测数据，可以得出车辆的通行状况。

挠度曲线上每个峰值表示一次车辆通行，其中峰值的大小[w]与车重有直接关系，统计一段时间内[w]的特征，可以反映出车辆荷载的大小，将[w]的特征与桥梁理论计算值进行比较，从而分析是否存在超载的现象。

3.2 车辆冲击效应分析

实际结构的挠度曲线是结构动挠度，人们可以通过对比动挠度与静挠度的比值来分析结构的冲击效应。而冲击效应与结构的型式、车辆运行速度和桥面的平整度等有关，人们可以通过分析冲击系数的变化趋势来分析桥梁在车辆荷载作用下的动力效应[11-12]。

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[13]规定：钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。冲击系数[μ]可按下面的方法进行计算：当[f<1.5Hz]时，[μ]=0.05;当[1.5Hz≤f≤14Hz]时，[μ=0.176 71n f-0.015 7];当[f<14Hz]时，[μ]=0.45。式中，[f]为结构基频（Hz）。

4 工程项目应用

4.1 桥梁概况

河南省某重载交通上桥梁，其上部结构为先简支后连续装配式预制箱梁，跨径组合为5×30 m+6×30 m+4×30 m+4×30 m，桥宽15 m，双向4车道，横向5片箱梁。根据现场条件，以第19跨作为监测跨，选取挠度最大截面设置监测点，粘贴监测标志，全桥共布置5测点，如图3所示。笔者在2016年12月不同时段对该桥进行2次挠度监测，每次监测时长为30～40 min。

4.2 挠度理论计算分析

根据桥梁图纸，采用Midas/Civil建立监测跨计算模型，如图4所示，计算监测截面各梁挠度。

桥梁在车辆荷载作用下挠度，按公路-I级计算桥梁关键截面挠度，如图3所示。边跨跨中截面挠度如表2所示，在正常使用状态下，车辆荷载作用下最大挠度为9.1 mm。

4.3 实测挠度分布状况

本次监测选取2个时间段，工况1监测时间为33 min，工况2监测时间为43 min。实际测试过程中，根据重车行车轨迹，3#主梁为最不利受力主梁，图5给出了3#主梁在工况1、工况2下的挠度监测时程曲线及峰值识别[14-15]。

以识别出的峰值作为统计对象，分析实际运营过程中挠度的分布状况，如图6所示。从中可以看出，实测挠度多数分布在3.5 mm以下，但监测中也出现过挠度超过6 mm的情况，表明桥梁存在较大负荷的车辆通行状况。

4.4 冲击效应

根据识别出的峰值计算各行车过程中的冲击效应，并统计其分布，如图7所示。与计算冲击系数1.26相比，实测冲击效应保持在1.0～1.8，桥梁的最大冲击效应远大于设计值。结构实测冲击系数与理论计算有较大差别，这主要是桥面铺装的平整度、伸缩缝位置的平整度和桥面坑槽等病害对冲击效应有较大影响，实测数据能够反映桥面整体平整度情况。

5 结论

非接触式动态挠度监测系统在不中断交通情况下可持续对重载交通桥梁进行动挠度监测，监测数据对桥梁结构性能评估具有重要意义。本研究以河南省某装配式箱梁桥为例，在不中断交通的情况下，对关键截面的动挠度进行监测。监测结果表明，桥梁存在较大负荷的车辆通行状况;根据监测数据，实际计算冲击效应远大于理论值，表明桥面整体平整度情况较差。本文通过实例探讨了不中斷交通情况下通过挠度监测对桥梁性能进行评估的方法，该方法具有不影响通行、经济简便、技术可靠等一系列优点，其推广与应用对桥梁检测和监测具有重要意义。

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