新西樵大桥主桥养护与结构健康监测研究

2022-04-29张秦

运输经理世界 2022年18期

张秦

（佛山市南海区公路管理站，广东佛山 528226）

1 工程概况

新西樵大桥主桥结构形式为斜拉桥，全长245m，跨径组合为120m+125m。拉索采用平行双索面布置，塔墩固结，主梁为半漂浮结构体系。主塔处设竖向可调高支座、纵向限位支座和横向限位支座，边墩设纵向活动支座和横向限位支座。主梁采用整体式流线形扁平钢箱梁，整幅桥钢箱梁内设5 道纵腹板，均采用整体实腹板。共设22 对斜拉索，横向设两排索，间距为37m，主桥全桥共44 根斜拉索，拉索倾角约28。拉索采用φ7 高强镀锌钢丝，强度1670MPa。桥面采用沥青混凝土铺装，铺装面层为2.5cm 厚改性SMA-10 沥青混凝土，铺装下层为3.0cm 厚改性SMA-13 沥青混凝土，桥面全宽42.5m，桥面设置2 道D240mm 模数式伸缩缝。

2 养护与检测

2.1 主桥日常养护

主桥常见病害的位置集中在桥面系，病害的主要类型包括：车辙、裂纹、推移、拥包等。虽然已多次对桥面铺装层病害进行小范围的修补，例如使用冷补沥青混合料对坑槽进行填补，但收效甚微。桥面铺装层病害的反复出现，大幅增加了桥梁巡查人员的工作负担。桥面沥青铺装层病害多发主要有以下几点原因。

2.1.1 沥青铺装层过薄

主桥交通量大且多为重载车辆通行，重载车辆对桥面沥青铺装层的辗轧严重，容易产生车辙。

2.1.2 沥青高温稳定性不足

由于钢箱梁的保温作用，主桥桥面的沥青铺装层温度比一般的路面沥青温度要高，在夏季钢箱梁的温度可接近50℃以上，桥面沥青铺装层直接承受钢箱梁传递的高温，使得沥青混合料受热软化。

在主桥转换墩处设置的闸道分叉口，汽车快速驶过时的切向力使得沥青铺装层与防水黏结层之间受到较大剪应力，当剪应力超过防水黏结层的黏结应力极限就会破坏，使得在车辆荷载持续作用下容易产生推移的病害。

针对桥面的沥青病害的处理，在2021年1月对病害严重的右幅桥K1+473～K1+573 范围内进行沥青铺装层维修工程，对原有的破损路面进行凿除，再重新摊铺钢桥面结构层，如图1 所示。

图1 桥面沥青铺装层维修

2.2 主桥定期检测

主桥在2020年的定期检测中，总体技术状况由原来的“1 类”降为“2 类”，检测的主要病害位置集中在上部结构与桥面系。其中桥面沥青铺装层新增病害较多，主要为右幅沥青桥面的推移、拥包，与日常养护中发现的桥面沥青铺装层病害相吻合，成为较上一次检测结果中技术状况评分下降最大的单项，是导致主桥总体技术状况评价下降的主要原因。

上部结构病害集中在斜拉索、钢箱梁；主要为斜拉索PE 护套局部刮损，钢箱梁内部出现焊缝出现锈蚀、焊缝不饱满以及局部积水。主桥其余构件技术状况良好，主梁线形与前次测量结果基本拟合，主桥桥面结构线形平顺，无明显下挠现象。由于钢箱梁存在局部积水，加上夏季钢箱梁温度升高，使得钢箱梁内部的锈蚀速度加快，导致较大面积的焊缝锈蚀产生。

3 结构健康监测系统

3.1 系统介绍

新西樵大桥主桥结构健康监测系统总体架构分为5 层：传感器层、网络传输层、数据服务层、应用层、用户层。

传感器层为主桥上安装的传感器监测网络，全桥共安装传感器128 个，对桥梁环境参数以及结构响应进行实时监测，布置位置如图2 所示。传感器类型分为9 类：风速风向仪2 个、温度仪21 个、静力水准仪16个、应变计29 个、倾角仪4 个、拉线位移计4 个、加速度仪25 个、索力仪24 个、视频监控球机3 个。

图2 主桥结构健康监测系统传感器布置示意图

网络传输层为传感器的数据传输，数据通过接入网关进行信号滤波，汇聚至数据处理主机进行数据预处理，通过互联网专线传输至大数据云。数据服务层为基于大数据云部署的数据前处理服务，包括数据融合、储存等；在大数据云进行数理统计及信号处理的相关运算。应用层为结构健康监测系统配套的软件应用，部署在大数据云，可以对监测数据进行深度挖掘，设置阈值报警机制，分析特征数据。用户层为大屏幕、桌面、移动终端对软件应用进行展示。

3.2 监测阈值

为实现对桥梁结构适用性监测，即对桥梁结构的裂缝、挠度超限、主梁振动过大等影响正常使用性能的非结构破坏性事件进行监测预警，系统阈值的设置是关键所在。新西樵大桥结构健康监测系统对结构响应类监测数据设置三级阈值，分为：一级、二级、三级，对应的报警级为：I 级、II 级、III 级，预警信息根据结构风险分为：重大风险预警、较大风险预警、一般风险预警。阈值级别对应的报警信息如表1 所示。

表1 系统阈值报警级别

3.3 数据分析

新西樵大桥结构健康监测系统自2020年12月调试完成后，至今已上线运行近半年，以2021年3月份数据为例，对布置在南庄侧主梁跨中截面测点的加速度仪采集的竖向振动数据进行频域分析，将月初与月末的频域曲线进行比对，如图3 所示。

图3 主桥南庄侧跨中截面测点加速度频域图

通过频域图可以看出，跨中测点月末与月初的频域曲线基本重合，月末与月初频率代表值差值小于4%，说明主梁整体结构动力特性未发生明显改变，主梁结构未出现刚度劣化的情况，符合主桥定检结果中钢箱梁未发现焊缝大范围开裂的情况。

4 结构健康监测系统改进建议

为更好地改进结构健康监测系统，使其在实际应用场景中发挥更大的价值，结合桥梁养护工作中的应用情况，提出以下几点改进建议：

4.1 发展对桥面沥青铺装层病害的监测技术

当前结构健康监测系统缺乏对桥面沥青铺装层的监测，难以对桥面沥青铺装层的病害进行预警。传统人工巡查耗费的人力物力巨大，经济效益不高。结构健康监测系统可利用已安装的视频监控球机，结合AI 图像识别技术对桥面沥青铺装层常见病害进行识别，如推移、拥包等，出现病害后及时将报警信息推送至桥梁养护单位进行修复。有效减少人工巡查频次，实现每次巡查都能够“有的放矢”。

4.2 系统数据分析建立与桥梁检测相对应的病害分析体系

虽然学术界已有多种基于监测数据的结构损伤识别方法，例如时间序列损伤概率分析等，但相关的数值分析方法需要在实际工程项目应用中进一步验证其可靠性。而桥梁检测已有成熟的桥梁病害分析标准，在工程界中已沿用多年。因此结构健康监测系统的数据分析可建立与桥梁检测相对应的病害分析体系，使得监测数据分析结果可与桥梁检测结果进行横向比对，以达到互相校核的效果，实现对桥梁结构病害更为完整的描述。例如，主梁的静力水准仪数据分析结果可与桥梁检测中主梁线形观测结果进行比对、加速度仪频域分析结果可与动载试验结果进行比对等。

4.3 阈值设定需要与有限元分析相结合进行动态调整

过低的阈值会导致系统报警次数增多，加重报警审核人员的负担，而过高的阈值则会导致结构安全风险的漏判，使得系统预警功能大打折扣。阈值设定可结合桥梁有限元模型分析结果进行动态调整，将一定时间段内传感器实测数据与桥梁有限元模型的理论计算结果进行比对，修正有限元模型，更新最不利工况下的计算结果作为新的阈值，在下一监测周期内根据报警情况进行迭代调整，直至得到合理的阈值。

4.4 基于监测数据的结构安全评估需与公路桥梁技术状况评定标准体系相适应

目前学术界虽已发展出基于监测数据的结构安全评估方法，例如基于结构可靠度的结构承载力评估方法等，可以对桥梁整体结构健康状况进行评分。但在推广到实际工程应用中，需要与目前广泛沿用的《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）规范相适应。如何将基于监测数据的结构安全评估结果与桥梁技术状况评分、桥梁技术状况等级（1-5类）进行对应，从而实现对桥梁结构安全更完整的描述，是下一步需要研究的重点。