獨柱墩橋梁抗傾覆加固與智慧化運維技術研究

韓 鵬，李 攀，王大海

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.中鐵城際規劃建設有限公司，北京市 102600）

1 獨柱墩橋梁工作特性與風險分析

自上世紀90年代以來，我國大型城市立交、高速的匝道橋梁較多采用獨柱現澆連續箱梁結構形式，該種橋梁的下部結構形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優點。但近年來，由于重載車輛長期運行導致橋梁累積性超荷，獨柱墩支座累積損傷、脫空、滑移導致獨柱墩橋梁傾覆事件屢次發生。

獨柱墩匝道橋梁的總體受力特征有以下幾點：

（1）梁體在承受極端荷載（列如大量重車偏載行駛）時，橋梁連接墩或橋臺雙支座位置的不利支座可能會出現負反力、支座脫空現象，進而導致梁體傾斜和內力重分布，相鄰獨柱墩支座受剪壓及梁體破壞的可能性加大，同時大大增加梁體整體滑移、傾覆、失穩的可能。

（2）獨柱墩本身是一種偏心受壓構件，如果墩柱的長細比較大，再加上較大的偏心荷載作用，墩柱將存在偏壓破壞的可能性。另外橫向約束梁體的墩柱受梁體反作用力有可能造成其底部的壓彎破壞。

（3）上部梁體橫向整體剛性傾斜或者傾覆落梁。

（4）偏心超載作用下，橋梁上部結構梁體將承受很大的扭矩作用，且這種扭矩累積作用會隨著橋梁跨徑的增大和獨柱墩數量的增多變得越來越大一旦出現梁體抗扭不足，橋梁很容易發生剪扭破壞。

橋梁移位是獨柱墩匝道橋梁病害的一種，是獨柱墩匝道橋破壞的初步表現。通常來說，引起獨柱墩匝道橋梁移位的主要原因有以下幾個方面：

第一，由于橋梁運營期間的外力引起的橋梁位移，例如梁體承受極端荷載（列如大量重車偏載行駛）、汽車制動力、離心力等引起的梁體位移會直接導致橋梁限位裝置的破壞、梁體擋塊的破壞及梁體移位；

第二，由于橋梁運營期間的溫度應力引起的橋梁位移；

第三，由于自然力或偶發事故引起的橋梁位移，例如洪水、地震、車船撞擊或其它突發原因等引起的橋梁限位裝置破壞、梁體擋塊破壞及梁體移位；

第四，原設計滑板支座或盆式支座缺少限位裝置等設計或施工不當引起的梁體移位。

2 獨柱墩橋梁模塊化加固技術

采用模塊化鋼蓋梁加可調高度雙支座實現獨柱墩輔助支撐，加強防側滑、抗傾覆安全度，見圖1。增設支座的原則是：現有支座仍起主要承載作用，新增設的左右雙支座起到“保險”作用，恒載作用下通過初壓力確保與結構貼合，活載作用下受力，提高橋梁的抗傾覆能力。

主要施工步驟如下：

（1）工廠預制鋼抱箍及鋼牛腿，運至工程現場；

（2）利用橋墩承臺作為工作面，在橋墩底部進行拼裝。初擰鋼抱箍的對拉高強螺栓，兩側鋼結構形成一個整體；

圖1 獨柱墩橋梁加固模塊示意圖

（3）利用提升設備將整體鋼結構提升至墩柱頂部；

（4）根據鋼抱箍預留孔位種植錨栓，應事先探明墩柱的主筋位置，植筋孔避開主筋位置；

（5）擰緊抱箍處對拉高強螺栓(終擰)，其值應滿足《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》要求，再擰緊錨固螺栓。通過注結構膠來填補鋼抱箍和混凝土立柱之間縫隙，使兩者密貼，以提供強大的抱箍力及粘接力；

（6）增設兩側板式橡膠支座，在新增支座對應的梁底通過植筋方式設置上支座楔形鋼板，鋼板底面和支座頂面應保持水平，上支座楔形鋼板和梁底之間空隙用粘鋼膠進行粘結。原有支座仍起主要承載作用，新增設的左右雙支座起到“保險”作用，恒載作用下通過初壓力確保與梁底貼合，活載作用下受力；

（7）鋼蓋梁的頂部設置支座下墊石，其高度根據新增支座厚度和梁下空間靈活控制，墊石頂部預埋鋼板。支座下部設楔形鋼板，通過敲擊方式使支座安裝緊密，要求新安裝支座與梁體底板接觸密實，自重作用確保能承擔一定的初壓力。支座安裝密實后將楔形鋼板之間焊接，楔形鋼板整體再與下支座墊石頂部的預埋鋼板焊接，并采用角鋼對楔形鋼板和支座進行限位。

該模塊化方案特點在于：

第一，通過鋼板圈抱箍力與部分植入錨筋將墩柱與鋼蓋梁連接為一體。

第二，通過抱箍力實現鋼蓋梁與柱連接造型簡潔、自重輕、蓋梁開口施工焊接及后期養護方便、適應性強易推廣。

第三，增設鋼蓋梁加固施工快、周期短，對橋面交通影響較小。

獨柱墩橋梁模塊化加固現場見圖2。

圖2 獨柱墩橋梁模塊化加固現場圖

3 物聯網智慧化運維技術

3.1 政策背景

在“互聯網+”戰略背景下，國家加快推進道路交通基礎設施與互聯網深度融合，推動交通智能化發展，2016年7月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《國家信息化發展戰略綱要》，要求加強頂層設計，提高城市基礎設施、運行管理、公共服務和產業發展的信息化水平，分級分類推進新型智慧城市建設。加快電力、民航、鐵路、公路、水路、水利等公共基礎設施的網絡化和智能化改造。同月，國家發改委、交通運輸部聯合發布了《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》（發改基礎[2016]1681號），要求建設智能交通基礎設施先進感知監測系統，加強交通基礎設施網絡基本狀態的信息采集，推動國家公路網建設和運行的監測、管理和服務平臺構建。

2017年5月，住房和城鄉建設部、國家發改委印發《全國城市市政基礎設施規劃建設“十三五”規劃》，要求提升市政基礎設施智慧化水平和綠色發展水平，推進智慧城市建設，提高城市安全運行管理水平。開展市政基礎設施信息化、智慧化建設與改造，建立全國城市市政基礎設施數據庫，依托已有基礎建設完善全國城市市政基礎設施監管平臺。

3.2 橋梁安全運維物聯網系統

以橋梁安全運維物聯網為代表的“互聯網+”智慧道橋系統，是一種以新型技術為載體的智慧型服務。通過傳感器、網絡通信、云計算等技術手段，將道路、橋梁及其附屬市政基礎設施實現普遍覆蓋的智慧化提升，以數據層面的集約化管理向城市生活提供智慧化服務。該系統用技術手段使傳統“純承載”方式的市政設施變得有感知、有思維，用數據層面的共享和溝通實現道路、橋梁和城市服務機構之間的融會貫通。

橋梁安全運維物聯網系統的總體構架為[1]：以確保橋梁結構和運營安全為核心目標，在橋梁關鍵部位，針對關鍵指標，通過傳感器系統實現24 h不間斷、實時、在線監管；同時，以巡檢機器人、無人機等智能手段實現橋梁巡檢工作的智慧化提升，解決可達性、安全性和人力成本等方面的瓶頸問題，使得巡檢頻度和質量得到顯著提升。基于云平臺和大數據技術，由專業機構為主管部門長期提供橋梁安全監管的“一站式”智慧服務，成為“智慧城市”戰略構架的重要組成部分。通過云平臺對運維、設計資料等數據進行集約化管理；以計算機終端、手機客戶端等形式為管理部門不同用戶以不同權限層級的模式提供“智慧服務”，在風險事件條件下，及時通過手機短信、客戶端信息等形式向用戶提供告警和預警。

系統基本構架見圖3。

圖3 橋梁物聯網系統構架

3.2 獨柱墩橋梁安全運維在線傳感系統

以現代傳感技術和物聯網、云計算技術，構建城市道路交通智慧運維系統，整合道路、橋梁和附屬設施相關的結構狀態、運維環境、運行荷載、交通狀況等數據資源，構建信息化綜合管理和服務平臺，推進“互聯網+”時代城市基礎設施運維安全管理的信息化、智慧化提升。

獨柱墩抗傾覆加固模塊中，定制開發基于光纖光柵傳感技術的支座受力監測傳感裝置，實時、高頻度采集支座受力和變形狀態，同時，以光纖光柵應變計采集鋼蓋梁應力顯著區域的應變狀態，實現加固后運維期內結構受力關鍵指標的長期在線監管。

通過對常用球鋼支座、橡膠支座附加該類型傳感器，可實現支座變形的高頻度實時監測，設備反應靈敏，變形量程適用性強，耐候性好。采用外置式安裝方式，可廣泛適用于新建和既有橋梁多種類型的支座。在上海市G1501郊環線、外環高速、福州市某立交匝道橋梁的應用表明，系統可實時、準確、高效監測支座受力，及時偵測由于重載車輛通行導致的橋梁偏載、荷載突變等潛在風險。

對獨柱墩橋梁設置支座受力傳感器和位移傳感器，對獨柱墩支座不平衡受力、墩梁相對位移和梁體側傾變形進行長期實時采集。每個橋墩的系統構成見表1。獨柱墩橋梁物聯網傳感設備見圖4。

表1 獨柱墩橋梁物聯網運維傳感設備（單個橋墩）

圖4 獨柱墩橋梁物聯網傳感設備

高峰期（夜間重車通行頻繁）典型的支座受力顯著性響應見圖5。數據的實時監控，可為在風險事件條件下提供即時告警；數據的長期積累，可為橋梁管理部門的管養工作以提供技術依據和數據支撐。遠期，亦可以數據接口的方式，與交通管理監控系統實現重載交通的協同管理。

3.3 獨柱墩橋梁支座智能巡檢技術

采用專業性橋梁巡檢無人機為獨柱墩橋梁支座巡檢提供技術輔助和增值服務，該設備顯著特征在于：基于四旋翼無人機平臺，便于在橋下接近梁體和橋墩的狹小空間進行精確制導飛行，在飛行器頂部安裝專用穩定云臺，搭載小型高清攝像裝置和旁軸照明補光設備，同時，飛行器頂部和旋翼加設碰撞防護裝置，以適應在近結構位置飛行的安全和穩定性需求。

實踐表明，該專業無人機可在頂部防碰撞支架保護下，實現橋梁支座的平視或略俯視觀測，巡檢效率高，可達性和安全性較好。

“在線監測”和“智能巡檢”作為橋梁運維數據的兩條基本采集途徑，是“橋梁安全運維物聯網系統”的前端構成。“在線監測”對橋梁結構實施安全指標全時采集，“智能巡檢”以現代化裝備和技術手段實現橋梁“高頻度”、“全覆蓋”體檢，兩者共同構成橋梁運維狀態的“神經元”系統，為道橋運維管理部門提供更高效、更便捷的智慧服務。

4 結語

針對獨柱墩橋梁抗傾覆需求，本文提出模塊化加固技術方法，并結合現代物聯網技術，針對與獨柱墩運維安全直接相關的關鍵指標，構建了在線傳感和智能巡檢相結合的智慧化運維體系。

以互聯網為核心的獨柱墩橋梁安全運維智慧服務系統，將橋梁支座由傳統的純受力構件，提升為可感知的智慧終端；將傳統以人工巡檢為主的經驗性運維管理，提升為區域化、長線路、以數據為支撐的智慧化精細管理體系。同時，通過運維指標的長期感知、評估，將獨柱墩加固工作由單次“項目模式”，轉變為由專業技術團隊長期、主動關懷的“服務模式”。

促進大數據、物聯網、云計算等現代信息技術與市政基礎設施深度融合，是城市管理和服務領域發展的重要方向。以模塊化加固、實時感知和智能巡檢為代表的獨柱墩橋梁管養創新體系，是對國家“互聯網+”戰略的直接響應，也是增強城市基礎設施精細化管理水平、提升市政基礎設施公共服務水平的重要舉措，具備良好的現實意義和產業化推廣前景。