基于檢監測數據的運維期橋梁伸縮縫評估體系研究與應用

張小丹 丁鵬程 曹威

摘要：本文研究內容以橋梁運營期檢監測數據為基礎，通過研究健康監測數據在橋梁技術狀況評定、運營管理、養護維修中的應用，有機結合橋梁健康監測系統的動態數據與養護管理系統的靜態數據，同時參照現有的公路橋梁技術狀況評定標準，試著提出融合實時監測信息和日常養護內容的橋梁結構狀況評定方法。最后以大位移伸縮縫人工外觀檢查與監測指標結合為例形成了相應的評估體系。

[關鍵詞] 檢監測數據;運維期橋梁;評估體系;監測指標;伸縮縫

作為橋梁的重要部件之一，伸縮縫將不同橋段銜接成橋梁整體，通過避免風和溫度等環境荷載對橋梁整體結構產生過大的作用，有效地保護著橋梁整體結構的安全。橋梁伸縮縫可以滿足橋面因諸如混凝土徐變和收縮、環境溫度波動和交通荷載等因素產生的變形需求。然而，伸縮縫又是橋梁結構中承擔最大動力荷載的附件，它須承受量值不等的各種復雜動力荷載和沖擊。并且，由于其長期暴露于自然環境之中，經受各種物理、化學的侵蝕，導致伸縮縫的疲勞和損傷，所以伸縮縫是橋梁結構中最易損壞的構件之一，也是維修最頻繁的部分。若伸縮縫損壞，就會引起如跳車、噪聲和漏水等現象，不僅影響行車舒適度而且對橋梁結構安全不利。據美國統計數據顯示，橋梁中伸縮縫的平均壽命遠低于橋梁本身的設計壽命，以索承橋梁一般設計壽命100年為例，伸縮縫的平均壽命僅為10到15年。根據前期的調研與統計，目前在橋梁建造費用中伸縮縫的造價僅占不到1%，但是在橋梁運營階段中16%的缺陷發生在伸縮縫，伸縮縫的相關維護費用超過總維護費用的20%，這還不包括由于伸縮縫的損壞導致的交通中斷造成的間接損失。因此有必要研究提出一套基于檢監測數據的橋梁伸縮縫評估體系，實現橋梁養護信息的集成于共享，為橋梁的養護決策提供支撐。

1.運維期橋梁伸縮縫現狀

模數式橋梁伸縮裝置一般由邊梁、中梁、支承橫梁、位移控制系統和密封橡膠等構件組成。橫梁為剛度和強度都很大的實體矩形截面鋼梁;中梁和邊梁為異性截面鋼梁，根據伸縮量的不同，以80mm為模數設置多根中梁;邊梁和中梁以及各個中梁之間設有密封防水膠條;中梁、邊梁與橫梁之間設有功能性彈簧;縫體錨固在橋面板接縫兩側的混凝土中。模數式橋梁伸縮裝置因其能適應較大的梁體變位、防水密封性能良好、管理養護容易、維修更換快捷等特點而被廣泛應用于大跨徑橋梁之中。

纜索承重橋梁一般跨度較大且結構柔度大，這對其使用的大位移伸縮裝置提出了更高的要求。但是由于設計、施工和管理維護的缺陷，使得大跨索承橋梁伸縮裝置病害屢見不鮮。作為世界上主跨跨徑最長的懸索橋，日本明石海峽大橋于1998年建成通車，采用梳齒式伸縮裝置，僅三年后大橋連接鉸位置表面涂層出現細微裂紋，根據現場實測數據，發現在強風和車輛荷載作用下，連接鉸最大應力達40MPa，計算疲勞壽命僅有15年。結合調研、照片及參考文獻，可以發現模數式伸縮裝置常見的病害有沖擊、疲勞等形式，按形成的原因可分為原材料缺陷、設計不良、施工不當等，主要表現為：

（1）中梁異型鋼斷裂。形成原因：車輛荷載強烈沖擊、材料缺陷、橫梁箱體脫空變形。

（2）支承橫梁運動受限、伸縮縫卡死堵塞或卡死。形成原因：橫梁箱內有異物或進入混凝土、梁端橫向位移過大、縫體與橫梁箱碰撞。

（3）滑動支承磨損破壞。形成原因：頻繁拉壓條件下疲勞、安裝時不牢固或松動、滑塊材料缺陷等。

（4）伸縮縫漏水造成橋梁水害。形成原因：橡膠條在使用過程中頻繁張拉導致老化脫落、所用橡膠材料密封性能差等。

（5）錨固區混凝土開裂、破損。形成原因：新舊混凝土間未按要求施工、混凝土品質不滿足要求、構件焊點太小導致型鋼脫落，發展成混凝土破壞。

2.橋梁伸縮縫檢監測評估體系建立

伸縮縫的累計位移行程是評估伸縮縫運行狀況的重要指標之一。通過疲勞試驗，伸縮縫制造廠商給出了不同類型伸縮縫滑塊的允許累計位移梁，對于PTFE（聚四氟乙烯）材料的為10km，對于MSMR材料的為50km。當運營階段伸縮縫的累計位移量超過廠商給出的允許值時，滑塊就很容易發生磨損，導致伸縮縫縱梁與小橫梁直接接觸摩擦，進一步加快伸縮縫的損壞速率。為了確保橋梁的安全運行，結合橋梁結構健康監測系統，通過對于伸縮縫縱向位移的實時監測，分析伸縮縫監測數據，為伸縮縫的剩余壽命預測、預防性養護和及時更換提供科學支撐，降低伸縮縫損壞可能性，減少伸縮縫的維修成本。同時，橋梁結構健康監測技術為指導今后類似橋梁的設計工作提供了幫助，使橋梁易損構件的損傷發展趨勢推演和剩余使用壽命推演變為可能。

對于大位移伸縮縫來說，綜合考慮橋梁的安全性、適用性和耐久性，將伸縮縫的監測數據指標應用于原有的伸縮縫狀態評估體系中去。正常狀態下，橋梁伸縮縫位移和溫度之間存在較穩定的相關關系，而當發生異常或出現結構損傷，伸縮縫位移-結構溫度模型則可能會發生變化，因此可以結合健康監測實測數據，利用伸縮縫位移-結構溫度模型實現對伸縮縫狀態的分析和評價。此外，考慮到伸縮縫的累積位移是決定伸縮縫使用壽命的一個重要因素，因此還可以利用梁端位移數據，在通過噪聲的去除和傅里葉變換。計算伸縮縫的有效累積位移，預測伸縮縫的使用壽命。

3.結束語

綜上所述，針對目前長大橋梁健康監測系統與養護管理系統在運營期應用存在的不足，本文開展長大橋梁健康監測系統與養護管理系統一體化研究，實現橋梁健康監測系統的動態數據與養護管理系統的靜態數據的有機結合，同時參照現有的公路橋梁技術狀況評定標準，試著提出融合實時監測信息和日常養護內容的橋梁結構狀況評定方法，最終實現橋梁健康監測系統與養護管理系統評價指標體系一體化，

【參考文獻】

[1]黃僑，任遠，許翔，劉小玲.大跨徑纜索承重橋梁狀態評估的研究現狀與發展[J].哈爾濱工業大學學報，2017，49（09）：1-9.

[2]戎娜.橋梁養護巡檢與健康監測系統信息的融合[J].交通世界，2018（13）：136-137.

[3]王建強. 結合人工巡檢的橋梁健康監測系統關鍵技術研究[D].長安大學，2011.

基金項目：本文系國家重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項2017年度項目《城市典型交通基礎設施運維安全關鍵技術研究》（2017YFC0806000）研究成果