不中斷交通下裝配式梁橋的撓度監測與性能評估

宋粉麗 于品德 馬赟 李華

摘 要：橋梁結構撓度是反映結構整體受力性能的關鍵指標之一，對橋梁結構性能評估具有重要意義。本文以河南省某裝配式箱梁橋為例，在不中斷交通的情況下，對關鍵截面的動撓度進行監測，通過監測數據統計了動撓度橫向分布并計算了沖擊效應，同時與理論狀態下撓度數據及沖擊效應進行了對比，探討了不中斷交通下橋梁性能評估的方法。

關鍵詞：不中斷交通;梁橋;動撓度;監測;性能評估

中圖分類號：U446.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0106-04

Deflection Monitoring and Performance Evaluation of Assembled Beam Bridges without Interruption of Traffic

SONG Fenli1，2 YU Pinde1，2 MA Yun1，2 LI Hua1，2

（1. Henan Transporation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450015;2. Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： The deflection of bridge structure is one of the key indexes reflecting the overall mechanical performance of the structure， which is of great significance to the performance evaluation of bridge structure. In this paper， taking a fabricated box girder bridge in Henan Province as an example， the dynamic deflection of key sections was monitored without interruption of traffic， the transverse distribution of dynamic deflection was calculated and the impact effect was calculated through the monitoring data， and compared with the deflection data and impact effect under the theoretical state to evaluate the performance of the bridge.

Keywords： uninterrupted traffic;beam bridge;dynamic deflection;monitoring;performance evaluation

橋梁結構撓度是在受力或非均勻溫度變化時，梁軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移。影響結構撓度的因素主要分為兩類：一是瞬態變化指標，如車輛荷載效應;二是緩慢變化指標，如混凝土的徐變、預應力損傷、構件缺損、環境溫度等。橋梁結構的撓度綜合反映橋梁結構的整體受力性能，因此撓度是橋梁評估的關鍵指標之一。橋梁撓度的監測方法很多，可根據監測評估的需要及現場實施條件來確定[1-3]。本文采用非接觸式動態撓度監測系統，在不中斷交通的情況下，對某重載交通橋梁進行了動撓度監測[4-6]，并將監測數據與理論數據進行對比，判別了監測數據的可靠性，利用所測數據對裝配式橋梁沖擊效應進行評估。

1 撓度監測考慮因素

受監測目的、監測精度要求、儀器設備監測方式和數據采集方式等不同的影響[7]，橋梁撓度監測的實現方法較多，實際撓度監測需要考慮的因素如表1所示。

2 裝配式梁橋撓度監測

2.1 裝配式梁橋撓度監測特點

裝配式混凝土梁橋，如空心板、T梁、預制箱梁，在車輛荷載下，其撓度有如下特點：裝配式橋梁撓度具有空間變形特點，縱向撓度反映預制梁本身的力學性能，橫向撓度反映了橋梁整體受力性能，因此需要在全截面布置監測點;裝配式梁橋跨徑一般小于50 m，車輛作用下撓度值小，對監測的精度要求高;不中斷交通下，車輛通行時間短，對監測設備采集頻率要求高;該類橋梁量多面廣，要求監測方法簡單方便，易于實現。因此，裝配式梁橋撓度監測宜采用非接觸式監測設備，進行動態數據采集[8]。

2.2 不中斷交通下撓度監測方法

非接觸式動態撓度監測系統采用圖像模式識別技術與模板匹配跟蹤算法相結合研制的監測設備，如圖1所示。其基本原理是：以關鍵截面撓度監測點為目標點，由高頻工業相機獲取目標點的實時圖像，通過模板匹配獲取目標點像素變化，通過尺寸標定得出像素大小與實際尺寸的比例系數[r]，將像素坐標變化量與比例系數相乘，計算得到目標點的實際位移[9]。

非接觸式動態撓度監測系統由高頻工業相機及鏡頭、計算機采集分析軟件及相關輔助設備集成，操作簡單、攜帶方便，適用于不中斷交通下裝配式橋梁撓度監測。運營情況下，橋梁撓度監測的一般流程為：制定監測方案，選取監測截面，布置監測點;確定監測參數，如監測時長、采樣頻率、監測周期等;現場監測，獲取撓度數據，處理監測數據，獲取結構的撓度分布;依據撓度監測結果，結合結構分析，對橋梁性能進行評估;定期進行監測評估，分析橋梁性能指標的發展趨勢。

3 動撓度監測數據處理

3.1 撓度峰值與車輛荷載

動撓度數據反映了一段時間內車輛通行狀況與橋梁撓度的對應關系[10]。如圖2所示，無車輛時，撓度曲線是一條平直的曲線，當車輛通過時，撓度曲線發生明顯的突變，出現各種峰值，并且峰值的大小與車輛的質量有直接關系。因此，通過分析撓度監測數據，可以得出車輛的通行狀況。

撓度曲線上每個峰值表示一次車輛通行，其中峰值的大小[w]與車重有直接關系，統計一段時間內[w]的特征，可以反映出車輛荷載的大小，將[w]的特征與橋梁理論計算值進行比較，從而分析是否存在超載的現象。

3.2 車輛沖擊效應分析

實際結構的撓度曲線是結構動撓度，人們可以通過對比動撓度與靜撓度的比值來分析結構的沖擊效應。而沖擊效應與結構的型式、車輛運行速度和橋面的平整度等有關，人們可以通過分析沖擊系數的變化趨勢來分析橋梁在車輛荷載作用下的動力效應[11-12]。

《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[13]規定：鋼橋、鋼筋混凝土及預應力混凝土橋、圬工拱橋等上部構造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺，應計算汽車的沖擊作用。沖擊系數[μ]可按下面的方法進行計算：當[f<1.5Hz]時，[μ]=0.05;當[1.5Hz≤f≤14Hz]時，[μ=0.176 71n f-0.015 7];當[f<14Hz]時，[μ]=0.45。式中，[f]為結構基頻（Hz）。

4 工程項目應用

4.1 橋梁概況

河南省某重載交通上橋梁，其上部結構為先簡支后連續裝配式預制箱梁，跨徑組合為5×30 m+6×30 m+4×30 m+4×30 m，橋寬15 m，雙向4車道，橫向5片箱梁。根據現場條件，以第19跨作為監測跨，選取撓度最大截面設置監測點，粘貼監測標志，全橋共布置5測點，如圖3所示。筆者在2016年12月不同時段對該橋進行2次撓度監測，每次監測時長為30～40 min。

4.2 撓度理論計算分析

根據橋梁圖紙，采用Midas/Civil建立監測跨計算模型，如圖4所示，計算監測截面各梁撓度。

橋梁在車輛荷載作用下撓度，按公路-I級計算橋梁關鍵截面撓度，如圖3所示。邊跨跨中截面撓度如表2所示，在正常使用狀態下，車輛荷載作用下最大撓度為9.1 mm。

4.3 實測撓度分布狀況

本次監測選取2個時間段，工況1監測時間為33 min，工況2監測時間為43 min。實際測試過程中，根據重車行車軌跡，3#主梁為最不利受力主梁，圖5給出了3#主梁在工況1、工況2下的撓度監測時程曲線及峰值識別[14-15]。

以識別出的峰值作為統計對象，分析實際運營過程中撓度的分布狀況，如圖6所示。從中可以看出，實測撓度多數分布在3.5 mm以下，但監測中也出現過撓度超過6 mm的情況，表明橋梁存在較大負荷的車輛通行狀況。

4.4 沖擊效應

根據識別出的峰值計算各行車過程中的沖擊效應，并統計其分布，如圖7所示。與計算沖擊系數1.26相比，實測沖擊效應保持在1.0～1.8，橋梁的最大沖擊效應遠大于設計值。結構實測沖擊系數與理論計算有較大差別，這主要是橋面鋪裝的平整度、伸縮縫位置的平整度和橋面坑槽等病害對沖擊效應有較大影響，實測數據能夠反映橋面整體平整度情況。

5 結論

非接觸式動態撓度監測系統在不中斷交通情況下可持續對重載交通橋梁進行動撓度監測，監測數據對橋梁結構性能評估具有重要意義。本研究以河南省某裝配式箱梁橋為例，在不中斷交通的情況下，對關鍵截面的動撓度進行監測。監測結果表明，橋梁存在較大負荷的車輛通行狀況;根據監測數據，實際計算沖擊效應遠大于理論值，表明橋面整體平整度情況較差。本文通過實例探討了不中斷交通情況下通過撓度監測對橋梁性能進行評估的方法，該方法具有不影響通行、經濟簡便、技術可靠等一系列優點，其推廣與應用對橋梁檢測和監測具有重要意義。

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