某钢筋混凝土系杆拱桥的长期监测与分析

唐 堂，温天宇（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）



某钢筋混凝土系杆拱桥的长期监测与分析

唐 堂，温天宇
（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）

通过对某钢筋混凝土系杆拱桥进行为期1年的混凝土应变与位移的监测，阐述了长期监测的内容和方案，分析了桥梁结构在正常运营过程中的受力状态和几何形态的变化，为此类桥梁运营过程中的监测、后期的养护和维修加固施工提供依据和参考。

钢筋混凝土；桥梁监测；系杆拱；长期监测

近年来，钢筋混凝土系杆拱桥凭借着造型优美、便于施工、跨越能力强、造价低的优势在我国交通工程领域中得到大力发展［1］，然而，随着运营时间的增长，大部分桥梁的现有交通量和载重已超过设计标准，同时该类桥型由于吊杆断裂、断丝、钢绞线夹片断裂等原因造成桥梁事故时有发生，另外吊杆锚头锈蚀、渗水、钢绞线锈蚀等病害也对桥梁的安全运营造成威胁，因此应对此类桥梁进行长期监测以适时了解桥梁结构的运营状态、及时发现隐患并提供预警，进而保证桥梁的安全运营。

目前对桥梁实行长期监测的较好方法是在桥梁结构上安装长期健康监测系统，然而该系统目前只运用于较少的特大桥与一些有特殊要求的桥梁，以及用于测试新技术、新设计理念的桥梁；据统计，运营过程中出现问题较多的正是数量占优的中等跨径桥梁［2-3］。

对于这些桥梁，不可能也没有必要全部安装实时在线的长期健康监测系统。因此，笔者根据多年的桥梁检测经验，建议借鉴施工监控的方法对中等跨径桥梁进行长期监测，即采用混凝土振弦式应变计对桥梁结构关键位置的应变定期采集数据，可以适时了解桥梁结构的受力状态；在桥梁结构关键位置布置位移测点，采用精密电子水准仪配合铟钢尺对桥面高程进行定期测试，可以适时了解桥梁结构的几何形态，此方案可以兼顾长期监测的可靠性、适用性、经济性。

1　工程概况

本桥为无风撑下承式预应力混凝土系杆拱桥结构，计算跨径63 m，计算矢高11.34 m，矢跨比为1/5.56，拱轴线为二次抛物线，下部结构为双柱墩，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。桥梁横断面布置为0.5 m（护栏）+11 m（行车道）+0.5 m（护栏）=12 m。如图1所示。

图1　桥型布置图（单位：cm）

本桥设两片拱肋，拱肋采用钢筋砼工字形截面，高120 cm，宽100 cm；系梁采用预应力砼箱形截面，高150 cm，宽120 cm；中横梁高100～112 cm，宽50 cm；端横梁高120～132 cm，均为预应力混凝土构件。全桥两侧各设置11根吊杆，吊杆间距5.25 m，内设预应力钢绞线，外套直径为220 mm、厚10 mm的无缝钢管。桥梁断面图如图2所示。

设计荷载标准：汽车-20级，挂-100；桥梁于1998-08建成通车，至今已运营17年。

图2　桥梁横断面图（单位：mm）

2　长期监测方案

2.1监测时间与监测环境

监测周期内每次监测时的天气情况和桥面车辆通行情况如表1所示。

表1　每次监测时的天气情况与车辆通行情况

2.2位移监测

2.2.1监测方法

竖向位移测量仪器采用精密水准仪及配套的铟钢尺，据《工程测量规范》（GB 50026—2007），测量时按二等工程水准测量要求，对桥梁竖向位移进行闭合水准测量［4］。竖向位移测量前在控制截面对应的桥面上距护栏内侧10 cm处打入膨胀螺丝作为永久性观测点，并编号标识。

2.2.2测点布置

纵桥向布置在支承中心及每根吊杆对应位置，横桥向布置在距两侧护栏内侧面10 cm处。位移测点为永久测点，测点位置处植入膨胀螺丝，并编号标记。具体布置如图3所示。

2.3应变监测

2.3.1监测方法

在系梁1/4、1/2截面的底面布置应变测点，定期观测混凝土的应变变化情况。通过对应变进行监测，不仅能直接了解各测量点的应力状态，为总体评判桥梁的安全性和耐久性提供依据，还能通过控制点应力状态的变化来发现桥梁结构状态的改变。

2.3.2测点布置

在主桥系杆拱拱肋的拱脚截面、1/4跨径截面、拱顶截面以及系梁的跨中截面、1/4跨径截面布置应变测点，监测主桥的应变变化情况。主桥系杆拱共布置24个应变测点。

图3　位移测点布置

3　长期监测结果

3.1位移监测

桥面高程采用精密电子水准仪配合铟钢尺按二等工程水准测量要求进行测试，两侧跨中区域位移测点的桥面高程变化情况如图4、图5所示，图中实线为实际监测值，虚线为趋势线。

图4　北侧跨中处桥面高程变化情况

图5　南侧跨中处桥面高程变化情况

根据上图，跨中处位移测点高程尽管个别点有所反弹，从整个监测期考虑总体呈持续下挠趋势。

根据桥面位移测点高程监测结果，每次监测高程与初读数偏差汇总如图6、图7所示，相邻两次高程监测差值汇总如图8、图9所示：

图6　北侧每次高程监测值与初读数偏差的变化情况

图7　南侧每次高程监测值与初读数偏差的变化情况

图8　北侧相邻两次监测高程差值变化情况

图9　南侧相邻两次监测高程差值变化情况

由图6、图7可知，南北两侧位移测点高程监测值与初读数偏差均有持续增加趋势。由图8、图9可知，南北两侧位移测点相邻两次高程监测值偏差无具体变化规律，离散性较大。

为进一步分析桥面位移变化情况，需要进行桥面高差浮动范围分析，以推得位移测点沉降的特征值。具体是取各次监测高程最大值和最小值偏差（实测高程与各次高程平均值之差），并对其重新调零（最大值与最小值之差的平均值），绘制全桥各次高程监测值偏差上下浮动曲线。将各次测量间的沉降数据进行数理统计，绘制沉降浮动曲线如图10、图11所示。

图10　北侧位移测点高程高差偏差浮动范围

根据图10、图11，南北两侧相对沉降浮动最大位置均为跨中区域，浮动范围分别为±2.3 mm、±1.9 mm。

图11　南侧位移测点高程高差偏差浮动范围

3.2应变监测

为具体分析应力变化情况，将每次应变监测值与初读数相减，根据混凝土弹性模量得到每次应力监测值，绘制历次平均应力监测值与第1次监测平均应力的差值变化情况如图12、图13所示。

图12　系梁底跨中处第n次与第1次平均应力差值

图13　系梁底1/4处第n次与第1次平均应力差值

由图12、图13所示，系梁底面少部分应力监测值与初读数差值有所反弹，前5次监测为较小的拉应力，从整个监测期考虑系梁底面应力监测值与初读数差值普遍增大，总体呈受拉状态，且持续发展。

为进一步分析应力变化情况，将相邻两次监测平均应变值相减，根据混凝土弹性模量值得到每次监测应力差值，绘制相邻两次监测平均应力差值的变化情况如图14、图15所示。

图14　系梁底跨中处相邻两次平均应力差值

根据图14、图15，系梁底面相邻两次监测应力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范围内波动变化，从整个监测期考虑系梁底面相邻两次监测应力差值总体呈拉应力，则系梁底面有受拉趋势。

图15　系梁底1/4处相邻两次平均应力差值

3.3持续下挠原因分析

3.3.1现状下桥梁承载能力评估分析结论

采用桥梁博士V3.0建立系杆拱单榀模型进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算，模型如图16所示，验算结论如下：

图16　系杆拱计算模型

（1）现状下系杆拱钢筋混凝土拱肋的强度、刚度和抗裂性均满足85规范要求；

（2）现状下系杆拱全预应力混凝土系梁的强度、刚度和抗裂性均满足85规范要求；

（3）现状下系杆拱预应力混凝土端横梁的强度、刚度和抗裂性均满足85规范和部分预应力混凝土系A类构件的要求；

（4）现状下系杆拱预应力混凝土中横梁的强度、刚度和抗裂性均满足85规范和部分预应力混凝土系B类构件的要求；

（5）现状下系杆拱吊杆钢管与拉索的强度验算均满足规范限值要求，吊杆安全系数最小值为2.1。

3.3.2温度对跨中区域下挠影响分析

采用Midas Civil2013建立空间模型（如图17所示），分析得到监测期间最大升温差值33 ℃对跨中区域位移的影响值为-2.5 mm，影响较大。

图17　升温33 ℃对跨中区域位移的影响

3.4监测结论及建议

（1）桥梁跨中区域桥面高程持续降低，北侧最大下挠值达4.6 mm，南侧最大下挠值达3.7 mm，监测期间最大升温差值33 ℃对跨中区域位移的影响值为-2.5 mm；

（2）从整个监测期考虑系梁底面应力监测值与初读数差值普遍增大，总体呈受拉状态，且持续发展；相邻两次监测应力差值在（-0.2 MPa，+0.3 MPa）范围内波动变化，从整个监测期考虑系梁底面相邻两次监测。应力差值总体呈拉应力，系梁总体呈持续受拉状态；

（3）桥面位移监测结果和系梁的应变监测结果能较好地反映系梁的受力状态和几何形态，两者监测结果较为一致，应变监测结果能较好地反映系梁的受力状态和几何形态，均能说明在监测期内系梁总体呈持续受拉状态。

（4）现状下，系杆拱各构件的强度、刚度和抗裂性均满足规范要求；考虑对桥梁长期监测的需求以及对测量数据进行大量统计分析的要求，为保证桥梁的安全运营，建议对该桥所有测点竖向位移和应力变化继续进行跟踪监测，以掌握更多的有效分析数据，以对桥梁结构的受力状态有更稳定可靠的评定，为后期的维修加固和养护提供依据。

4　结语

对某钢筋混凝土系杆拱桥进行了为期1年的位移与应变监测，监测结果表明桥梁结构处于良好的工作状态，通过振弦式应变计和精密电子水准仪可以对桥梁结构的受力状态和几何形态进行适时监控，兼顾了此类桥型长期监测方案的可靠性、适用性和经济性，为此类桥梁运营过程中的监测、后期的养护和维修加固施工提供参考。

［1］陈宝春.拱桥技术的回顾与展望［J］.福州大学学报：自然科学版，2009，37（1）：94-106.

［2］黄方林，王学敏，陈政清，等.大型桥梁健康监测研究进展［J］.中国铁道科学，2005，26（2）：1-7.

［3］施洲，蒲黔辉，李晓斌，等.桥梁结构应力与变形监测方法及其精度分析［J］.四川建筑科学研究，2008，34（4）：93-97. ［4］GB 50026—2007工程测量规范［S］.

Long-term Monitoring and Analysis of A Reinforced Concrete Tied-arch Bridge

Tang Tang， Wen Tianyu
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Through monitoring of concrete strain and displacement of a reinforced concrete tied-arch bridge for one yerar， this paper expounded the content and scheme of long-term monitoring. The change of forced state and geometric shape about the bridge structure during the process of normal operation were analyzed. It could be taken as basis and reference for the monitoring，deuteric maintenance and reinforcement construction for this kind of bridge during the process of operation.

reinforced concrete； bridge monitoring； tied-arch； long-term monitoring

U446.2

A

1672-9889（2016）02-0041-05

唐堂（1988-），男，江苏盐城人，工程师，主要从事桥梁检测与维修加固设计工作。

（2015-06-15）