基于动态监测系统的T形梁结构运营状态研究

刘胜超，杜建涛

（1.天津生态城绿色交通有限公司，天津 300467；2.天津市交通科学研究院，天津 300074）

桥梁在服役期内受车辆荷载疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等因素耦合作用，不可避免地产生结构损伤累积和抗力衰减[1]。为避免桥梁结构出现脆性破坏，开展结构评估，掌握结构真实运营状态很有必要。常规的桥梁结构评估是借助便携式仪器进行人工目测检查。对于需要重点关注的桥梁，常规的检查方法具有局限性，主要表现：

1）检查工作需要大量人力、物力的支持和配合，由经验丰富的检测工程师利用登高车、桥梁检测车等措施对构件近距离查看；

2）以单一构件为对象，只能提供局部的监测和诊断信息，需要经验丰富的检测工程师对大量数据进行筛选、整合、分析，才能获取全面、完整的结构健康评估信息；

3）周期长、时效性差，桥梁结构的检查周期可达数年，在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能提供即时信息。

桥梁动态监测系统集成了先进物联网、通信、数据库和互联网等信息技术，通过现场布设的传感器感知桥梁环境、交通荷载和结构响应，面向桥梁全寿命期不同应用场景进行监测，及时通过数据分析和对比，发现可能导致事故的异常参数并及时报警；同时，能够长期不间断地对桥梁状态进行监测，完整记录突发事件过程，便于事后评估处理[2]。因此，针对桥梁运营期间结构的安全性、耐久性和适用性等，建立一个针对桥梁结构的健康监测系统是有必要的。

结构安全预警子系统是监测系统的核心部分之一，通过将桥梁结构在车辆等荷载作用下的响应值与理论计算值进行对比，评估结构的安全状况，判断结构是否处于正常使用极限状态内，根据既定的逻辑判断关系对结构运行状态的变化进行预警，及时提醒养护人员提前采取防范措施。预警是否及时和准确，直接影响到动态监测系统的使用效果，为确定监测系统的预警值，国内外学者做了大量研究工作，主要对有限元模型参数进行修正，使计算模型尽可能与结构真实状态相符[3]，在保证系统有效性的前提下，尽可能减少计算工作量。

本文以一座装配式预应力混凝土T形梁桥为例，详细介绍桥梁结构响应参数预警值的计算方法及监测系统测点布置原则，利用系统采集的某一周期内全时数据，对结构应力、裂缝变化情况进行分析、研究，以期为同类型项目提供借鉴。

1 工程概况

拟研究桥梁由结构基本相同的两幅独立桥组成，全长3 807 m、全宽26 m，上部结构为现浇钢筋混凝土连续箱形梁和30 m装配式预应力混凝土T形梁。

2 结构安全预警值建立

建立对应桥梁初始状态的基准模型，计算设计荷载作用下最不利工况的结构参数理论变化值，以此为基准确定桥梁结构参数的阈值。当结构响应超过阈值时，预警系统根据数值发送不同级别的预警。

单梁受力是装配式结构的“致命”病害，当桥梁出现单梁受力现象时，在重载、超载车辆的作用下可能会导致桥梁结构出现断板，甚至桥梁垮塌的事故。本文利用有限元分析软件Midas/Civil，计算桥梁发生单梁受力时的预警值。

2.1 结构计算参数

混凝土强度等级为C48，重度26 kN/m3；桥面铺装层为8 cm厚沥青混凝土，重度24 kN/m3；防撞墙每延米混凝土0.32 m3，重度24 kN/m3；汽车荷载为汽车-超20级，挂车-120；混凝土结构体系温差为34℃（升温）、-10℃（降温）；主梁上下缘日照温差为10℃。

2.2 预警值计算

采用两级预警[4]：一级预警表示横隔板正常工作，各主梁之间为刚接，此时桥梁结构对应正常使用极限状态；二级预警表示横隔板连接失效，各主梁之间为铰接，此时桥梁结构出现单梁受力的趋势。

两级预警发生时主梁横向传力模式对应不同横向分布系数计算理论，分别为刚接板梁法和铰接板梁法[5]，因此模拟T形梁横隔板正常工作和连接失效两种状态。各主梁横向分布系数计算结果见表1。

表1 主梁横向分布系数

对比表1铰接板梁法、刚接板梁法横向分布系数可知，横隔板完好状态下边梁分担更多荷载，代表边梁的更不利状态，因此对于边梁只设置1级预警值。将横向分布系数应用到有限元单梁模型中，计算结果显示汽车荷载中挂车荷载效应起控制作用。见图1。

图1 荷载作用下T形梁应力

挂车荷载作用下各主梁应变阈值见表2。

表2 主梁应力预警值MPa

3 T形梁动态监测分析

根据历年桥梁检测结果及病害分析，动态监测系统安装的传感器包括应变传感器、裂缝计和环境温度传感器，分别对T形梁跨中腹板和横隔板的应力、T形梁腹板竖向裂缝和斜裂缝宽度以及传感器位置环境温度进行动态监测。

选取主梁跨中截面作为控制截面，在每根主梁底部布置一个应变传感器，安装于梁底混凝土，在横隔板布置应变传感器；监测结构的应变及裂缝变化；共计15个测点。见图2和图3。

图2 T形梁应变测点编号

图3 裂缝测点编号

3.1 结构应变分析

除mcu1-05测点外，T形梁应变变化量在120以内，横隔板应变变化量基本在100以内。见表3。

表3 结构应变统计

mcu1-05传感器由车辆荷载引起的最大数值为1 047。经现场确认，mcu1-05传感器监测区域出现了结构受力裂缝，折算裂缝宽度变化为0.16 mm，车辆通过后梁体裂缝恢复到初始状态，梁体处于弹性工作状态，结构安全[6]。

3.2 结构现存裂缝变化情况

T形梁腹板裂缝宽度变化在0.05 mm以内，与温度负相关，随温度升高而减小，温度降低而增大，裂缝宽度变化主要受温度影响。见图4。

图4 mcu1-10号测点裂缝宽度时程曲线

横隔板裂缝宽度变化在0.12 mm以内，与温度负相关，随温度升高而减小，温度降低而增大，T形梁横隔板裂缝宽度变化受车辆荷载影响大于受温度影响。见图5。

图5 mcu1-13号测点裂缝宽度时程曲线

综上，T形梁应变均小于阈值，结构处于安全状态；T形梁应变、裂缝宽度，横隔板裂缝宽度与温度呈负相关；横隔板应变与温度呈正相关。

4 结论

1）桥梁动态监测系统对结构异常状态进行报警的前提是准确输入预警值。本文提出针对单梁受力的预警值建立方法，对相关工程具有一定的借鉴意义。

2）当监测数据中出现异常值时，应采用现场复查与计算分析相结合的方法，查明数据异常的原因并深挖数据反映的结构状态。