某在役小箱梁橋監測方案與安全評估方法研究

黃峰 王瑩 程仁慧 蔡笑飛 張鍇 程追 劉新民

摘 要：針對目前武漢市域內橋梁健康監測系統及結構安全狀態評估相關研究不足的情況，以武漢市某高架箱梁橋為工程背景，通過安裝在橋梁結構上的健康監測系統獲得實時監測數據，概述了基于溫度場時空模型、基于豎向撓度分析及層次分析法的橋梁安全評估方法，對保證橋梁安全運營有著一定的理論價值和現實意義，可為同類橋梁健康狀況評估研究提供參考。

關鍵詞：小箱梁橋;健康監測;溫度場;安全狀態評估;層次分析法

0 引言

現階段我國基礎設施建設仍在不斷發展中以滿足人們的生活和社會發展需要，其中橋梁結構是基礎設施中最終要的組成部分，而橋梁結構中的小箱梁橋由于其受力特點和經濟適用性往往收到工程師們的青睞[1]。由于橋梁結構長時間的服役狀態，容易收到環境因素（如：溫度和風速等）和人為因素（如：施工和形成等）的影響，進而導致橋梁結構發生損傷，因此橋梁結構的安全狀態評估研究顯得尤為重要[2-3]。目前學者們對小箱梁橋的安全狀態評估研究并不深入，存在著安全評估方法的選取以及設計優化等問題[4-5]。

對橋梁結構實現安全狀態評估必須依賴于對橋梁結構監測的數據，為了采集到這些數據需要在橋梁結構內部安裝監測系統，以便實時的獲取橋梁健康信息。且該監測系統能夠力和物力去評估橋梁的健康狀態，同時也能不間斷的獲取進行橋梁監測所需要的信息[6]。安徽大學和清華大學孫雅瓊等[7]針對合肥市高架橋依據現場的實時數據建立了適用于該類型橋的一套評估方法

本文以武漢地區某在役混凝土小箱梁橋為研究對象，根據小箱梁的結構特點，截面情況和所處的環境條件建立起適用于小箱梁的監測方案，根據現場布置傳感器，后期利用計算機遠程下載、收集、處理和分析數據，我們利用采集的數據作為我們安全評估的指標，來建立適用小箱梁的評估方法，并把兩種方法都進行驗證，從而也能證明監測方案的合理性。

1 小箱梁監測測點的布置

1.1 工程概況

本節以武漢市某在役混凝土小箱梁橋為研究對象，所測共5跨，每跨長為25 m。為了獲取小箱梁實時的溫度數據、應力狀況和相對位移，我們在南側第一箱和中間一箱頂板、腹板和底板布設了溫度傳感器、振弦應變計和拉繩位移計。并且，將布置的傳感器所采集到的數據作為監測指標來對該小箱梁橋進行安全狀態評估[8]。

1.2 應變測點的布置

根據頻率響應范圍的不同，應變監測又可分為靜態應變監測和動態應變監測，靜態應變反映了橋梁在長期荷載緩慢作用下強度儲備狀況，而動態應變包含了活荷載作用下十分豐富的頻率成分，結合靜、動應變數據進行分析能夠很好地反映實際運營橋梁在各種荷載作用下內力發展歷程。考慮到經濟投入與工程應用，應變監測測點的布置應力圖用較少的測點反映橋梁整體最危險截面應力變化。需要結合有限元仿真分析確定危險截面，選用電阻式應變計測量動應變，振弦式應變計測量靜應變，立面、斷面布置見圖1。

1.3 撓度和墩梁位移測點的布置

橋梁撓度變形主要是指受荷載作用影響，很多因素導致橋面比較嚴重的豎向變形，當橋梁處于自然環境且在服役過程中容易受到日照輻射以及大氣氣溫的影響，會產生相應的梁端位移。一旦結構的撓度和位移產生較大的形變，將會對橋上的人車造成很大的威脅，因此采用精度較高的儀器對橋梁的撓度變形和位移定時監測，對于把控橋梁建設質量、掌握既有橋梁的運營狀態具有十分重要的作用。在所有的檢測設備中傾角儀可操作性強、成本低、受環境變化影響小，且測量精度高、工作量小，較適用于中小跨徑的梁式橋，其優化布置圖如圖2。

1.4 環境參數及視頻測點的布置

由于環境溫度的影響會使得橋梁結構產生不同程度的變形和內力[9]，因此，在對橋梁的安裝狀況進行評估時需考慮溫度對橋梁結構的影響。目前，各國規范中對溫度梯度都有規定，因所處的地理環境不同，但是仍然不足以規范并不能反映該橋實際溫度。因此，獲取橋梁結構在不同的溫度下的狀態可以用在橋梁相應的位置布設溫度傳感器來實現。根據溫度傳感器的作用原理不同，本橋選用數字型溫度傳感器來監測小箱的溫度變化情況，其優化布置見上圖3。

車輛荷載是公路橋梁的基本可變荷載之一，是橋梁疲勞劣化最主要的原因，對車輛荷載進行實時長期監測能夠為橋梁安全狀態評估提供可靠依據，然而目前橋梁車輛荷載的監測還停留在傳統的簡易短時半人工檢測階段。

由于考慮到外界環境和人為因素，實時監測的設備都安裝在橋梁結構之中，用于對監測數據的采集。各數據采集設備以傳感器類型為單元，將相應各類傳感器的實時監測數據集成在同一系統中，再通過連接DTU元件，將所有的實時監測數據傳輸至監測平臺進行儲存。小箱梁橋的實時監測系統選用SQL Server 2008r2模式平臺軟件作為數據管理中心，對各類監測指標的數據進行儲存及分類管理，實現所有監測數據的可視化，并可通過對監測的數據的分析來評估橋梁的安裝狀態。

2 安全評估方法研究

在對小箱梁橋進行長期監測的過程中，實時監測系統會通過監測設備采集和儲存大量的各類安全監測指標數據。通過計算分析各類監測指標的數據，選用合適的評估方法，可鑒定城市箱梁橋在正常運營期間是否滿足使用功能和安全性的要求，及時發現結構存在的損傷并給出相應的維修加固建議，以保證城市箱梁橋的安全運營。本文依托小箱梁橋的長期監測數據，采用溫度場仿真模型和層次分析法評估該箱梁橋的安全運營狀況。

2.1 基于溫度場時空模型的橋梁安全評估

本文通過ANSYS建立該小箱梁橋有限元模型，把Hypermesh當成連接的平臺，轉換ANSYS與TAITherm。在Hypermesh劃分好有限元模型的網格后，將模型轉化nas文件為TAITherm讀取，導入其中進行有限元模型的拼接組合，賦予模型材料特性以及結構層次。進而，導出有限元模型，利用Hypermesh轉化為ANSYS可讀取的格式，根據TAITherm中模型特點，對應完善模型命令流，為后續的溫度效應計算做好模型準備工作。

由從氣象部門搜集得到的諸如氣溫、風速、云量等氣象數據，構建出TAITherm天氣文件，利用仿真模擬計算得出的溫度數據與實測結果進行對比，完善小箱梁橋有限元模型，得出符合全年武漢地區天氣條件的數值計算模型。本文計算溫度效應的流程為：首先ANSYS建立小箱梁的幾何模型，把Hypermesh作為中介，其次利用熱力學軟件建立仿真模型與實測對比;接著通過Matlab平臺將Taitherm中計算溫度場數據轉換成溫度荷載，并施加在Ansys模型上;最后根據ANSYS模型計算出橋梁結構的極端有效溫度和最不利溫度梯度[10]。

小箱梁橋墩頂支座處布置有豎向和徑向位移傳感器，通過實時監測箱梁的變形情況，對豎向位移監測數據進行統計分析及小波分析，濾除汽車荷載、風荷載等高頻部分，通過相關性分析，擬合小箱梁支座高度的變化曲線，預測支座的病害發生。對徑向位移監測數據進行統計分析及時頻分析，通過相關性分析，擬合溫差作用下箱梁徑向位移的變化曲線，針對寒潮期間，該小箱梁橋梁端位移以及梁底應力的變化做出相關分析，通過小箱梁橋溫度場演化模型和通用結構分析軟件，預測和評估夏季極熱和寒潮天氣情況下小箱梁橋的安全運營狀況。

2.2 基于層次分析法的橋梁安全評估

橋梁結構安全監測系統的最終目標就是基于監測系統中各項監測指標產生的大量信息進行分析，由此來準確、有效、方便地判定結構的健康狀況。在本文針小箱梁橋的實際情況，在全面考慮橋梁結構中各監測指標對橋梁整體結構影響的基礎上，對橋梁進行了層次劃分，設置了安全評估層次分析模型，確定了不同指標的權重，并通過限值儲備量法確定了同一指標不同位置測點的權重，最終通過底層指標無量綱評價打分逐級向上，獲得橋梁整體結構的評分，繼而確定橋梁所處等級及后續維護方法。首先應依據重要性、敏感性、獨立性、簡單性等原則確定箱梁橋評估指標，接著建層次結構模型對其安全狀態進行評估，最后根據各指標權重分析判定指小箱梁的安全運營狀態，如圖4所示。

根據層次分析法，對橋梁結構進行安全狀態評估的流程可分為：

（1）將橋梁結構的評估指標共分為三個層次，且確定各個等級所包含的指標參數及相關權重。

（2）對所采集到的各指標數據進行處理，并評估指標的分數。

（3）根據各指標分數計算出橋梁結構的總分，進而確定橋梁結構的安全等級。

其中本文根據實時監測的數據情況確定應變、變形和環境指標，分別為0.25、0.5和0.25，且最底層指標的權重均設置為0.5。

3 結論

本文通過在武漢市某混凝土橋梁的關鍵截面布設各種傳感器，完成了對該橋溫度、應力、撓度及位移等指標的實時監測，并通過網絡通信技術對所有的監測數據進行傳輸與存儲，建立起適用于該類型橋的健康監測方案，基于各類指標的實時監測數據，采用建立溫度場仿真模型和層次分析法等安全評估方法對小箱梁橋的安全運營狀態進行評估。

（1）城市小箱梁橋所處地理環境復雜，且關于城市橋梁的安全事故時有發生，橋梁安全問題備受公眾的關注，本文通過對武漢市某混凝土高架橋展開研究，形成了一套經濟、適用并且較為完備的健康監測方案。

（2）在分析監測數據對城市箱梁橋進行安全評估時，可采用兩種方法進行評估，驗證各方法的評估結果，實現不同評估方法之間的優勢互補，使評估結果更加準確。

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