基于监测数据的桥梁病害支座工作状况识别与评估

■张 玮

（1.福建省建筑工程质量检测中心有限公司，福州 350001；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350001）

桥梁支座是桥梁结构的重要组成部分，不仅承担着传递上部结构荷载及减震隔振的功能，其工作性能的好坏也将直接影响主梁的变形性能与桥梁的运营安全[1]。 目前，绝大多数桥梁的支座检查均采用人工定期检测的方式，存在主观性较强、实时性较差等缺点，因此许多桥梁健康监测系统都将支座位移纳入到实时监测参数中，搜集到了丰富的支座监测数据[2]。 相关研究采用相关性分析、回归分析、主成分分析、时间序列分析等方法对支座位移监测数据进行了研究[3-6]，结果表明正常情况下温度是影响支座纵向位移的主要因素，且位移与温度之间存在良好的线形关系。 同时也有研究也指出，在桥梁长期运营过程中支座不可避免地会出现老化、锈蚀、脱空、变形超限等问题，各类病害均会对支座的位移特性产生影响[7-11]。 综上所述，为更好地识别支座的病害程度、评估支座的使用性能，有必要专门针对桥梁支座（特别是已出现病害的支座）的位移监测数据进行深入分析研究。

1 工程概况

某斜拉桥创新性地采用了钢拱塔的结构形式，通过呈空间扇形排列的斜拉索与预应力混凝土主梁相连。 该桥修建于2010 年，设计荷载为：城-A级，人群荷载3.5 kN/m2。 桥梁跨径布置为（50+60+110+110+60+50）m，桥面总宽29.5 m，布置有两侧人行道和双向4 车道。 桥面纵向西岸设置2.2%纵坡，东岸设置2.4%纵坡。 全桥桥面连续，在两侧桥台设置伸缩缝。 桥梁结构布置如图1 所示。

为实时掌握该特殊结构桥梁的运营状态，桥上安装了一套结构健康监测系统，布置有各类传感器200 余个，用于监测桥梁的振动、索力、倾斜、裂缝、温度、支座位移以及桥面交通荷载等指标，系统于2020 年9 月正式上线运行。

2 支座监测方法及测点布置

该桥支座采用GPZ（II）盆式橡胶支座，1#～5#墩上共布置10 个支座， 其中固定支座位于主塔3#墩。在以往的检测中，发现该桥各支座存在不同程度的偏位、组件锈蚀和橡胶变形挤出现象。 支座参数、病害情况及测点编号如表1 所示，部分支座病害情况照片如图2 所示。 健康监测系统中共布设支座位移测点15 个，其中支座纵向位移测点10 个、支座横向位移测点5 个，支座监测测点布置及编号如图3所示。

表1 支座参数、病害情况及测点编号汇总

图2 支座病害

图3 支座监测测点布置及编号示意图

支座的位移采用振弦式位移计进行监测，位移计的两端通过支架分别固定于梁底与墩顶，采样频率1 次/h。 本文中所用位移监测数据均为支座位移的相对值变化，即以位移计安装时（2020 年8 月）的读数为零。 支座位移测点布置如图4 所示，当主梁向东侧移动时（即支座上盘相对下盘往东岸方向移动时），位移计读数增大；反之，位移计读数减小。

图4 支座位移测点布置

3 支座位移监测情况

该桥支座均为同类型的盆式橡胶支座， 且变形方向主要以纵向滑动为主，因此可以通过不同支座监测数据间的对比和分析，来识别和评估支座使用性能的变化情况。 本研究以2021 年5 月1 日—2022 年4 月30 日一整年的支座纵向位移监测数据为研究对象，即每个位移测点包含24×365=8760 条数据。其中5#墩支座VDC-2 测点与2#墩支座VDN-1测点位移大小与气温的时程数据如图5 所示。

图5 5# 墩支座VDC-2 与2# 墩支座VDN-1 测点位移时程图

图5 位移时程结果可归纳出2 个明显特征：（1）当气温升高时，主梁以3# 固定墩为中心向东、西两侧纵向伸长， 导致东岸侧的2#墩支座VDN-1位移计读数增大（与温度正相关），而位于西岸侧5#墩支座VDC-2 的读数减小（与温度负相关），表明两支座位移与温度间均存在相关关系，这一特征与正常支座相同；（2）支座位移曲线呈现出跳跃和不连续，即支座位移在大部分时间里都几乎保持不变，只有在少数几个时刻突然出现毫米级的变化；这一特征又与正常支座不同，因为主梁的热胀冷缩一般是随着温度而缓慢变化的，反映到支座位移上也应是如此。

产生这一反常现象的原因是5# 墩支座VDC-2与2# 墩支座VDN-1 均存在组件锈蚀与退化，导致支座上下盘间存在较大的静摩擦力，对主梁的纵向伸缩产生了一定程度的约束作用。 当主梁伸缩积累的力小于支座的静摩擦力时，支座不会滑动，位移监测值几乎保持不变；只有当积累的力大于静摩擦力时，支座才会滑动至新的位置重新平衡。 由于静摩擦的释放与平衡通常是在较短的时间内完成的，小于监测系统的采样频率（1 次/h），因此在滑动前、后两个时刻的位移监测数据通常会有毫米级的差别，从而使支座位移的时程曲线出现跳跃和不连续。

而支座的静摩擦力越大，对主梁的约束程度就越明显。 通过图3 中5# 墩支座VDC-2 与2# 墩支座VDN-1 的数据对比来看，5#墩VDC-2 测点处支座的滑动次数更少但跳跃幅度更大，表明该支座的静摩擦力更大，故5# 墩VDC-2 测点处支座的工作状况较2# 墩VDN-1 差。 上述分析表明，可以用支座的位移幅值、与温度的相关性以及跳跃变化的幅度和次数等指标，来客观反映桥梁病害支座的工作状况。

4 支座位移数据分析

4.1 位移幅值分析

位移幅值反映各支座在1 年之内相对滑动的大小，这里采用如图6 所示的箱线图来表示。

图6 支座位移箱线图

图6 中10 个位移幅值箱体均由10 个支座纵向位移测点的8760 条监测数据生成， 位移幅值箱体自上而下的5 条线分别为数据的最大值、上四分位值（75%）、中位值、下四分位值（25%）和最小值。由图6 可知：（1）3#墩支座VDJ-1 和VDJ-2 测点箱体的高度很小，表明其全年位移幅值很小，这与纵向固定支座的位移特征相符；（2）4# 墩支座VDE-1和VDE-2 测点本为纵向滑动支座， 应与对称的2#墩支座VDN-1 和VDN-2 类似，当实测位移幅值很小，表明4# 墩支座已无法正常工作，这与现场发现的橡胶变形挤出等较为严重的病害（图2（b））相匹配；（3）其余6 个支座的箱体高度较大，且最大、最小值的距离较远，表明其均有纵向滑动，但5# 墩支座VDJ-1 和VDJ-2 测点的箱线图高度要明显小于对称的1#墩支座VDP-1 和VDP-2 测点， 这意味着4#墩支座的卡死已对主梁的纵向伸缩产生影响。

4.2 位移—温度相关性与回归分析

在支座的人工检测中，一般只能对支座的病害程度进行定性描述，而通过位移—温度的相关性和回归分析，不仅可以建立支座纵向位移与温度间的函数关系，还可以定量地比较支座工作状态的好坏。 可用相关系数R 表征支座位移与温度相关程度的强弱，相关系数R 越接近＋1，说明正相关性越强；接近－1，说明负相关性越强；越接近0，表示相关性越弱。 在此基础上，进一步采用线性回归分析建立支座位移与温度之间的函数关系。 线性回归方程表达式为：

式（1）中，d 为支座位移/mm；T 为大气温度/℃；α、 β 为回归系数，可通过最小二乘法计算得出。

同样以上述5# 墩支座VDC-2 和2# 墩支座VDN-1 两测点为例， 绘制的支座位移—温度相关关系图如图7 所示。 由图7 可知，尽管两支座的位移幅值接近，相关程度却有较明显的区别：2 张图中均存在大量沿水平分布的点，表明因静摩擦力的存在限制了支座位移，一定范围内的位移与温度间几乎不存在相关性；但从全年数据上来看相关性依然存在，各条水平线的分布仍随温度的变化而变化。5#墩支座VDC-2 图中水平线上下间距较大， 对温度的变化更不敏感， 故5#墩支座VDC-2 的相关系数要小于2#墩支座VDN-1。由于5#墩支座VDC-2测点处的病害程度要大于2# 墩支座VDN-1，因此支座的病害程度与位移—温度的相关系数和回归系数呈反比。

图7 支座纵向位移—温度相关关系图

依此类推，分别对全桥10 个监测支座的纵向位移进行相关性分析和回归分析， 所得结果列于表2中，由此可知：（1）位移幅值较小的3#墩支座VDJ-1和VDJ-2 与4# 墩支座VDE-1 和VDE-2， 其回归方程的回归系数α 和β 也很小，且相关系数R 大多小于可纵向滑动的支座；（2）结合表1 的支座布置可知，3#墩支座VDJ-1 和VDJ-2 测点支座工作正常，但4# 墩支座VDE-1 和VDE-2 测点处支座几乎卡死；（3）3# 墩西程侧支座的回归系数α 与相关系数R 均为负数，而东岸侧均为正数，表明各支座滑动方向与主梁的热胀冷缩的趋势一致；（4）3# 墩东岸侧支座的回归系数α 与相关系数R 均大于西岸侧，说明东岸侧支座的工作状态总体上好于西岸侧。

表2 支座位移-温度相关系数及回归方程

4.3 位移空间相关性分析

该桥的主梁为全连续结构，则理想情况下位于同一横截面上的2 个支座或位于同一纵截面上的5 个的纵向位移应该具有空间相关性：例如5# 墩支座VDC-1 在（t－1）至t 时刻之间发生了大小为的纵向位移，那么位于同一横截面的5#墩支座VDC-2也会发生的位移； 与5# 墩VDC-1 对称的1#墩VDP-1 应在同一时间区间发生大小为的纵向位移，且4# 墩VDE-1 与2# 墩VDN-1 的位移值也会呈比例变化。

因本文中的原始位移监测数据均为相对位移的累计值，为获得每个时间区间内（每个小时内）位移量dt′，需要将各支座的监测数据做如下式所示的处理：

每个支座8760 条监测数据可计算得到8759条每h 位移量数据（），为研究支座纵向位移的横向空间相关性，本文采用文献[12]介绍的平行坐标图方法将5# 墩上支座的每h 位移量绘于图8（a）中，具体做法为：先将VDC-1、VDC-2 的每h 位移量（）分别标于图中第1、第2 个纵坐标轴上，再用线条将两纵轴上同一编号的位移量相连（VDC-1 的与VDC-2 相连，依此类推），最后通过线条的分布情况来判断数据之间的相关性、趋势与异常值。

若同一横截面上的支座同步变化，则反映在平行坐标图上应为几乎平行的数条直线（强正相关关系），但图8（a）中的线条分布情况显然与此相悖。如图所示，当某个时间段内5# 墩VDC-1 支座滑动11.5 mm 时，对应时刻5# 墩VDC-2 的位移却几乎为0。 这是因为5#墩VDC-1 与5#墩VDC-2 支座的病害程度有所区别，导致两支座间的静摩擦力并不相同，从而造成了支座滑动的不同步。 由2#墩VDN-1与VDN-2 支座每小时位移绘制的平行坐标图中（图8（b）），相同的现象也频繁出现。

图8 位移横向空间相关性平行坐标图

同理， 可将平行坐标图推广到同一纵截面的5 个支座上，以观察支座位移的纵向空间相关性。图9 将5# 墩VDC-2～1# 墩VDP-2 共5 个支座的每h 纵向位移量（d2′～d′8760）分别绘于5 个纵坐标轴上，图上每根线条均分别连接同一时间段内的5 个支座位移。 与横向空间相关性分析结果类似，纵截面上各支座的变形也并不协调，支座的滑动时刻、滑动幅度均表现出较强的随机性。 例如，深色线表示5# 墩VDC-2 支座发生7.6 mm 位移时，对称位置的1# 墩VDP-2 支座位移却并无明显变化，且4# 墩VDE-2 与2# 墩VDN-2 的位移也明显不同。特别是4# 墩VDE-2 支座， 无论其他支座如何变化，其每h 纵向位移一直维持在较小值，表明该支座的工作状态呈现明显异常（即支座卡死），支座病害已在一定程度上影响了主梁的纵向伸缩性能与受力状态，这一结论与人工检测结果及前文分析结果一致。

图9 位移纵向空间相关性平行坐标图

5 结论

本文以某斜拉桥1 年的支座位移实时监测数据为研究对象，分析了带病害的盆式橡胶支座的位移时程曲线特性，建立了支座位移与温度之间的回归分析模型，并利用平行坐标图对支座位移的横向与纵向空间相关性进行了可视化分析。 主要研究结论如下：（1）由于病害支座上下盘间静摩擦力的增大，其位移并不是随时间连续而缓慢地变化，而是存在着摩擦力的积累与释放过程，位移时程曲线呈现出跳跃和不连续的特点。 若支座病害过于严重，静摩擦力大于梁体伸缩产生的内力，甚至会导致支座卡死；（2）病害会导致一定范围内的支座位移与温度不相关，并显著降低整体数据间的相关性。 通常，支座的病害程度与支座位移—温度的相关系数和回归系数呈反比，因此可以通过回归系数与相关系数来识别和评估支座的实际工作状况；（3）因不同支座的病害程度有所区别，在表征位移横、纵向空间相关性的平行坐标图上呈现出了滑动时间不同步、位移幅值随机性较大等特点，表明该桥支座病害已在一定程度上影响了主梁的纵向伸缩性能与受力状态。