中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋健康監測研究分析

楚帥

摘要 文章結合某中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的基本概況，使用Midas Civil專業建模軟件對該橋梁進行建模分析，并通過該橋一期恒載、二期恒載、車輛荷載及溫度荷載作用下的響應情況，進行動靜態響應分析，實現對該橋的健康監測設計和對監測數據的分析，評估了拱橋的安全性。

關鍵詞 健康監測；Midas Civil；動靜態響應

中圖分類號 U446文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0039-03

0 引言

近幾年，隨著我國社會經濟的大發展，橋梁作為重要的城市基礎設施，其數量不斷增加。截至2021年底，我國城市和公路橋梁總數已達105萬座，其中公路橋梁96萬座，城市橋梁9萬座。橋梁在長期使用過程中受到外部荷載及環境的影響，會逐漸進入了病害暴發高峰期。美國權威期刊《事故分析與控制》的統計數據表明橋梁平均使用壽命僅為30～40年。根據橋梁這一壽命周期，截至目前，我國有近10萬座橋梁正處于危橋狀態。

近年來，計算機技術和傳感器技術快速發展，開始從航空航天領域逐漸向城市基礎設施領域拓展，助推了國內橋梁健康監測的研究進展。從1997建成的香港青馬大橋，到南京長江大橋、二橋等橋梁健康監測系統的建設，再到近兩年來在城市橋梁群中的應用，橋梁健康監測正在快速地發展[1-2]，進一步保障橋梁安全，為橋梁管養提供輔助決策支持[3]。

該文以某市一座中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋為例，利用Midas Civil建模軟件對橋梁結構進行力學分析，結合橋梁養護過程中的病害及特點，設計了橋梁監測布點方案，實現對橋梁的實時監測，并通過對監測數據的分析，評估了橋梁的安全性能。

1 橋梁概況

該橋位于某市，跨越南淝河。橋梁結構形式為單跨中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋。橋跨布置1×72.0 m，矢高18.0 m。橋梁全長85.9 m。全寬30.2 m。橋面橫向布置：2.6 m（左側人行道）+4.5 m（左側輔路）+1.0 m（左側錨固區）+14.0 m（中央主路）+1.0 m（右側錨固區）+4.5 m（右側輔路）+2.6 m（右側人行道）。

橋梁上部結構為中承式吊桿拱。橫向有2片拱肋，對應2片縱梁。縱向布置了16片橫梁。各橫梁間布設鋼筋混凝土板作為行車道板，其中拱肋間有14片矩形空心板，拱肋外各5片槽型鋼筋混凝土板。下部結構橋臺采用鋼筋混凝土橋臺，基礎為灌注樁。橋面鋪裝為瀝青混凝土，伸縮縫為毛勒式伸縮縫。人行道鋪設方磚。橋梁兩側布置鐵質護欄。

2 建模分析

主要采用了商業通用有限元分析軟件Midas Civil，進行空間內力、應力分布、空間變形情況以及橋梁模態分析，計算時不考慮材料的塑性，結果為彈性結果；主要分析計算正常使用狀態的變形和內力水平。

2.1 計算模型及參數

2.1.1 計算參數選取

該橋資料缺失較多，對于不確定的參數，建模取值按下述原則確定：

（1）截面：缺少人行道、快車道、慢車道的橋面板厚度，缺少兩片拱之間交叉支撐的截面詳圖及與拱連接處的節點詳圖，對于以上尺寸，圖紙中有構件圖但缺少標注，建模時直接在圖上量測；吊桿截面信息沒有，且在2002年更換過一次，根據2002年換索時測得的索拉力及伸長量，取鋼材彈模為200 GPa，可計算截面面積，建模時直接采用等面積實腹圓形截面。

（2）材料：缺少拱及橋面預制板的混凝土強度，考慮到縱梁和橫梁采用C50混凝土，因此拱的混凝土也采用C50；預制空心板的混凝土采用300#混凝土，建模時選用C30，由于是空心板，且缺少截面，因此板的混凝土容重取一半。

（3）約束條件：在橋梁拱腳處設置約束，由于圖紙中顯示拱腳處為現澆混凝土墩，因此拱腳處設置剛性連接；兩端橋面板與道路連接處設置了伸縮縫，建模時約束了豎直和橫橋向兩個方向的平動，以及縱橋向的扭轉自由度，其余自由度均被釋放。

2.1.2 計算荷載選取

（1）一期恒載為橋梁承重結構（包括混凝土拱和橋面系結構）。混凝土容重取25 kN/m3。

（2）二期恒載包括欄桿、橋面鋪裝等，按《荷載規范》計算取值。

（3）車道荷載選用《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）中的規定，具體見規范。

（4）在橋梁的最外側車道布置超載車輛，車輛荷載的尺寸選用《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60—2015）中的標準車輛，將其軸載提高一倍，對應總軸載為110 t的超載車輛。

（5）系統基準溫度為10 ℃。①橋梁體系整體升溫34 ℃；②橋梁體系整體降溫?20 ℃；③梁截面溫度梯度：依據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60—2015），梁截面溫度梯度以規范為準。豎向日照正溫差計算的溫度基數為T1=14 ℃、T2=5.5 ℃。豎向日照反溫差為正溫差乘以?0.5。

2.2 計算結果分析

2.2.1 靜力分析結果

成橋階段，要考慮自重、二期及車道荷載作用下的橋梁變形和應力進行分析，具體見圖1、2。

2.2.2 動力分析結果

根據該橋結構類型，該文采用子空間迭代法，對該橋動力響應進行分析，并計算得到結構自振頻率為0.659 Hz，振型參與質量見表1。

2.3 計算分析結論

綜合分析有限元力學計算結果可得出以下結論：

（1）該橋中主梁變形較大的為跨中截面，撓度傳感器可布置在跨中截面、1＼4截面以及3＼4截面。

（2）該橋主梁低階振動響應較明顯的為每跨跨中截面以及拱肋跨中截面，主要對拱肋的振動進行監測。

（3）該橋在自重和二期荷載作用下跨中截面正彎矩最大，車道荷載作用下最大正彎矩也在跨中截面，因此，應變測點主要布置在跨中截面。

（4）吊桿作為橋梁主要受力構件，需要針對該橋吊桿進行監測和分析，主要對長吊桿進行監測；另外，拱橋短桿效應也比較明顯，因此也需要對短桿進行監測。

（5）溫度梯度荷載作用下引起的橋梁結構的響應也比較明顯，因此主梁溫度的監測也是很有必要的。

（6）整體升溫和降溫作用下，橋梁的自由伸縮比較明顯，因此需要對橋梁伸縮縫的伸縮狀況進行監測。

3 健康監測設計分析

3.1 健康監測設計

該文通過對近年來橋梁發生的事故及所出現的問題進行分析，得出橋梁主要的風險為短桿效應、橋臺水平平移、開裂、拱肋變形、吊桿銹蝕斷絲、橫縱梁裂縫和拱肋開裂等。其中一個比較明顯的病害就是短桿效應。主要原因是處于拱肋與系桿交界處的橋梁短吊桿受到了較為明顯的拱肋溫度和受力的變形，導致橋面受到附加拉力，因此，橋梁的短吊桿相比于長吊桿來說，所受到的剪切作用更為明顯。另外一個比較明顯的病害是吊桿銹蝕斷絲，這主要是由于長期的疲勞荷載及環境影響。此外，拱肋變形和開裂對于拱橋來說也是較為明顯病害。

通過對橋梁病害進行分析，結合該橋的結構特點以及所處的環境，綜合分析拱橋存在的風險以及病害，對該橋進行在線監測與結構安全評估時，要選取部分關鍵指標進行分析。重點監測內容如下：

（1）主梁以及拱頂的豎向變形。

（2）主梁、縱梁及橫梁截面的應變（主跨跨中、邊跨）、拱肋的應變（拱頂和拱腳）。

（3）主梁及拱頂的加速度響應。

（4）溫度。

（5）吊桿索力。

通過建立橋梁安全運行監測系統，可實現對橋梁結構響應數據的實時感知、分析和預警，保障橋梁結構安全運行。

3.2 監測數據分析

3.2.1 吊桿力分析結果

吊桿作為橋梁結構主要受力構件，其安全性會影響橋梁結構整體的安全，因此，對其監測進行分析尤其重要。該文對該橋對稱布置的6根吊桿中1個月的數據進行分析，通過對比分析可發現，這6根吊桿變化相對穩定，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢相對一致，結果表明該橋吊桿處于安全運行狀態。

3.2.2 撓度分析結果

橋梁撓度變化主要受到外荷載的影響比較明顯，通過撓度監測數據可分析橋梁結構整體線性狀態，因此，其變化可直接反應橋梁整體變形及安全狀態。該文選擇8個撓度監測點位1個月的數據進行分析。通過分析可發現，近期撓度變化相對穩定，沒有出現異常狀態，且由于受到溫度等因素的影響，變化趨勢相對一致，結果表明，橋梁在正常使用情況下整體線性較好，處于安全狀態。

綜上所述，通過對吊桿力及撓度監測數據的分析結果可以發現，該橋近期處于安全狀態，可繼續使用。

4 結語

該文通過中承式鋼筋混凝土吊桿拱橋的有限元計算和結構計算分析，結合該橋的結構特點以及所處的環境，綜合分析了拱橋存在的風險以及病害，進行了健康監測設計方案，通過對橋梁吊桿力及撓度監測數據的分析評估，得出目前該橋處于安全運行狀態的結論。

參考文獻

[1]吳多. 基于橋梁全壽命周期的損傷識別及狀態評估研究[D]. 西安：長安大學， 2017.

[2]秦權. 橋梁結構的健康監測[J]. 中國公路學報， 2000（2）： 37-42.

[3]陳艾榮， 潘玥， 王達磊， 等. 大數據時代的橋梁維護與安全[J]. 上海公路， 2014（1）： 17-23.