T型刚构桥竖向位移监测多级预警阈值设定

胡铁明, 马 钦, 齐 璐

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044; 2. 辽宁省交通规划设计院有限责任公司 研发部, 辽宁 沈阳 110005)

桥梁建成投入运营后,由于车辆载荷及天气环境等多种原因造成的病害存在一定的累积性和突发性,国内外高速桥梁在运营过程中因管理不当引起的破坏、坍塌的事故屡见不鲜,造成重大经济损失和人员伤亡.自20世纪70年代起,国外就已经开始对已投入运营的桥梁进行监测研究,20世纪80年代中后期便开始对桥梁采取具体监测系统的安装.国内许多学者在桥梁健康监测和预警阈值设定方面进行了研究分析:杨志峰等[1]利用现有桥梁健康监测系统设计桥梁竖向位移监测体系,得到较为可靠的实时监测数据;苏成等[2]对桥梁健康监测的预警指标进行了研究,为桥梁的运营及维护决策提供可靠依据;孙君等[3]对结构响应和温度之间的相关性进行分析,把均值作为设定上下限的指标进行控制,对不在限值内的值进行预警.以上桥梁健康监测系统在一定程度上解决了桥梁实时监测和预警指标的问题,但也存在预警阈值数据来源单一、未能体现出当前桥梁安全预警等级和状态等局限性.

为更好地将桥梁健康监测系统和桥梁安全预警指标相结合,在安全预警的同时更清晰地判断预警等级,本文通过现有在役桥梁的长期实时监测和各个监测指标的内容,结合某混凝土T型刚构桥的监测数据和竖向位移的监测指标,分离剔除温度变化对竖向位移的影响,与模拟载荷试验数据相结合,设定出该桥梁竖向位移的预警阈值.以期为桥梁的安全运营提供更有效准确的数据参考.

1 工程概况

以某高速桥梁互通式立交(下行)B匝道T型刚构桥为依托,该匝道桥是为高速公路与绕城高速公路设置的互通式立交.互通立交区地势平坦,周围工厂村镇密集,该地区遍布通往市内外的高低压电力线、通讯线.该互通立交形式采用主线上跨半定向Y型方案,将针对B单车道出口匝道中第23、24孔的T型刚构桥进行分析,桥梁全长140 m,孔径布置为2×70 m;设计载荷等级为公路 -Ⅰ级.

连续刚构桥由于其桥面行车舒适、受力合理、用材节约、养护工作量小及抗震能力强的优点被广泛应用,但是桥梁施工完毕或投入运营后就容易产生裂缝等其他问题.针对预应力混凝土T型刚构形式的病害特征,在互通立交(下行)匝道主跨2孔预应力混凝土T型刚构(主跨组合2×70 m)结构形式上建立了桥梁健康安全监测系统.

相对于传统的桥梁监测方法主观性强、精准度差等缺点,结合本工程混凝土连续钢构桥梁结构的特点,利用传感器技术、信号通讯技术、信息处理技术等对桥梁进行监测.跨中竖向位移可反映桥梁结构的整体性,采用静力水准仪、倾角仪以及振弦式传感器对主梁跨中截面及支点截面竖向位移变化进行长期实时监测,此类水准仪适合于要求高精度监测垂直位移或沉降的场合,传感器可监测到小于0.012 5 mm的高程变化.

振弦式传感器本身自带温度传感器,可以在监测混凝土应变的同时监测温度变化.本工程温度数据取自振弦式传感器所监测的温度,此次监测桥体共布置4个监测点,如图1所示.

图1 跨中竖向位移测点布置(静力水准仪)Fig.1 Arrangement of vertical displacement measuring points in mid-span (static level)

图1中1号、3号为基准参照点,2号、4号为监测点,由2台振弦式静力水准仪组成一个静力水准系统,系统由一系列含有液位传感器的容器组成,容器间由通液管互相连通.参照点容器安装在一个稳定的位置,其他测点容器位于同参照点容器大致相同标高的不同位置,任何一个测点容器与参照点容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化,从而获取测点相对于参照点高程的变化,容器内注入防冻液时可监测温度范围为-20～80 ℃,满足当地的气候环境.通过监控桥梁跨中竖向最大变形的长期变化,实时掌握桥梁结构安全和病害的发展情况.

2 监测数据的采集与分析

2.1 竖向位移-温度相关性

以2019年8、9月整个时段的2跨测点的竖向位移监测数据为样本进行分析,由整个时段第23、24孔跨中的相同时刻所对应的竖向位移和温度得出竖向位移-温度的相关性曲线,如图2所示.

(a) 第23孔(b) 第24孔图2 主桥各孔竖向位移温度时程曲线Fig.2 Vertical displacement-temperature time-history curves of each hole of the main bridge

跨中竖向位移沿正方向发展表示“位移减小”,即梁体呈现上拱趋势;反之,沿负方向发展为“位移增大”,即梁体呈现下挠趋势.数据提取频率为15 min/次,取15 min内车辆经过引起竖向位移变化的最大值作为提取依据,同时由于监测系统采集时间跨度较长,监测数据不断累积,形成以时间轴为基础的庞大数据库.受气候环境和系统自身等多种因素影响,信息在采集及传输过程中出现数据包丢失或损坏的情况,影响数据精度而形成监测异常值.因此进行数据分析前,需要对数据库中的数据进行预处理,最大程度地将异常、冗余数据去除,以保证监测信息的完整和可靠.

由图2曲线变化趋势可以看出:随着温度的降低,第23孔梁体竖向位移减小,即梁体呈现出上拱趋势;第24孔梁体竖向位移增大,即梁体呈现下挠趋势[4].温度对于两孔竖向位移变化并非即时的,而是在温度变化之后一段时间内才出现变化,温度对其影响存在一定的滞后性.从整体上看,由于温度对两孔产生相对一致的影响,各孔竖向位移整体变化较为平缓.施加车辆载荷时,当第23孔下挠时,第24孔相对出现上拱的趋势;相反,当第24孔下挠时,第23孔也会出现上拱的趋势,各孔测点竖向位移与温度变化呈现相关性,符合连续梁的特点.在所测试的竖向位移数据中,除受温度载荷和车辆作用影响外,也包含了收缩徐变、测试误差、结构性能变化等多种因素的综合影响,但该影响周期较长,短期内直观表现并不明显.

2.2 竖向位移监测值组成

根据混凝土性能和桥梁结构特点,混凝土桥梁结构的竖向位移一般受车辆载荷和温度影响,也会受到混凝土收缩徐变和仪器监测误差等多种因素的影响,虽然混凝土收缩徐变属于长期效应,但是在对桥梁状况定期进行标定的情况下,根据混凝土收缩徐变理论,桥梁在建成4年后已经度过混凝土收缩较快时期,在一个相对时期内混凝土收缩徐变对竖向位移的影响并不显著.所以该混凝土结构桥梁竖向位移数值可以看作由车辆载荷、温度效应和恒载荷引起的竖向位移变化值的叠加组成.

温度引起的竖向位移变化由温度引起的桥体竖向位移和监测设备自身的测量误差组成.本工程采用的静力水准仪结合监测系统设定已经对传感器的温度变化引起的监测值变化进行补偿,所以,传感器的监测误差已经基本消除.

载荷引起的竖向位移包括恒载荷引起的竖向位移和可变载荷引起的竖向位移.在桥梁结构正常的情况下,桥梁恒载荷引起的竖向位移包括桥梁各部分的自重、混凝土的收缩和徐变等.由于该健康监测系统是在2016年桥梁正式通车运营后安装的,并于固定年限对桥梁安全健康状况进行标定,监测设备采集数据是跨中监测设备相对于支座处监测设备采集数据的相对值.根据混凝土结构收缩徐变理论,以20年的总收缩值为标准,混凝土第1年内完成总收缩徐变的75%～85%,随后将呈指数型下降,并在20年内趋近于终值[5].在通车数年后,已度过收缩徐变快速变化时期,所以在短期内的恒载荷引起的竖向位移可以忽略不计.故恒载荷引起竖向位移为固定值,可变载荷主要由车辆载荷引起,为可变值.

综上所述,本桥梁监测工程中所采集的竖向位移监测值由可变载荷引起的竖向位移和温度引起的竖向位移组成,将温度引起的位移值剔除后即可得到可变载荷作用值.

2.3 温度效应的剔除

对2019年8、9月份的监测数据库中的数据进行处理后,得到排除异常数据的预处理数据,在提取到的8、9月的数据中截取3 d数据进行再研究,可以得到竖向位移与温度之间更加清晰的关系,如图3所示.

(a) 第23孔(b) 第24孔图3 第23、24孔竖向位移温度曲线Fig.3 Vertical displacement-temperature curve of hole 23 and 24

图3中突变及毛刺部分为车辆经过时产生的竖向位移变化,将数据库中车辆经过时间点和时程曲线相对应,可以分离车辆对于桥体跨中的瞬时影响,则得到无车辆经过时温度对竖向位移的影响.将3 d数据按照温度递增的方式进行排序,绘制散点图,如图4所示,由图4看出同一温度下引起的桥梁跨中的竖向位移相差不大,由于3 d的温度存在波动且呈现周期性变化,随着温度的平稳上升,竖向位移也在缓慢上升,并无剧烈波动.

竖向位移不是严格按照线性增加,而是线性相关与非线性关系的叠加,线性相关比非线性对竖向位移影响强烈,可忽略温度的非线性相关性,认为竖向位移和温度之间仅呈现明显的线性相关性.经计算得23、24孔竖向位移-温度相关系数分别为R23=0.844 和R24=0.905,进一步验证了其相关性.最终利用软件对数据进行拟合,并得到竖向位移D和温度t的回归方程,见图4.

(a) 第23孔(b) 第24孔图4 第23、24孔竖向位移温度散点图及方程Fig.4 Vertical displacement-temperature scatter diagram and equation of hole 23 and 24

由图4可知,所布测点竖向位移和温度之间均为线性相关,温度为竖向位移变化的影响因素之一.将采集系统采集到的数据与线性回归方程计算值相减,剥离温度效应对竖向位移的影响,即得到车辆载荷引起的桥梁跨中竖向位移,如图5所示.

图5 剔除温度效应后的竖向位移变化Fig.5 Vertical displacement change after removingtemperature effect

由于在计算回归方程时忽略了非线性的影响, 则剔除线性相关性后可将结果看作仅由车辆载荷引起的竖向位移, 由图5可以看出, 两孔的竖向位移的残差基本呈现随机分布, 并无规律性变化, 其结果值均在0值附近波动.

3 多级预警阈值的设定

实现桥梁安全状态实时监测预警是桥梁健康监测的首要目标,设定多级预警阈值更是安全预警系统的重要环节[6-8].设定的预警阈值过于激进,会使系统不能准确地对桥梁安全状况进行及时的反馈,从而对桥梁及人身财产安全造成不可逆的损害[9].设定阈值过于保守,就会使得预警系统预警过于频繁,出现多报、谎报等情况,造成不必要的人力、物力的浪费.结合健康监测系统预警的及时性、预警系统的自动化、预警系统对微小损伤较高的灵敏性的基本思想[10].因此为预警系统设定合理的预警阈值显得尤为重要,设置多级预警阈值为监测人员提供更直观更有效的信息,及时采取相应的措施防止桥梁结构状况进一步恶化.

结合本工程的桥梁结构特点,刚构连续梁一般在梁体跨中位置产生最大的竖向位移,故选取跨中监测点位置作为预警点,跨中竖向位移作为预警参数,综合国内研究现状以及健康监测系统的实际运行情况,预警指标的阈值可以依据监测实际统计值、最不利工况响应值、规范限值3个方面进行取值[11],根据设置预警值前的监测数据和桥梁实际运行情况,每经过一定时期将会对预警阈值进行重新设定,以求符合当时桥梁运营情况,共设置三级预警,一、二级预警根据数理统计规律,三级依据模拟设计载荷工况得到.一个参数若连续5次超过同一级别的阈值,则定义为此级别预警,若5次发出的警报值所在阈值不是同一级别,则定义为低一级别预警.

3.1 一级预警

一级预警属于低级预警,是针对车辆载荷效应的预警.取剔除温度效应后监测系统1周的监测数据,可以得到在桥梁结构和监测设备正常状态下监测数据的最低值,即竖向位移最大值.纵观1周的监测数据,取1周内数据的变化量δ,并将最大竖向位移值扩大1 mm作为预设预警值.将1/4δ作为增量与预设预警值叠加的值作为一级预警值.以本工程为例,取2019年9月的第1周竖向位移值,剔除因为监测设备干扰引起的数据波动,即毛刺区域,得到相对稳定的竖向位移变化图,由采集设备读数最高值为1.225 mm,最低值为-0.662 mm,变化量δ为1.882 mm.所以,预设预警阈值为-1.662 mm,一级预警阈值为-2.133 mm.

由于一级预警属于低级预警,为安全运营状态,系统仅记录,不进行预报,但应该留意.

3.2 二级预警

结合一级预警值,将变化量δ的1/2与一级预警值相叠加作为二级预警值,即设置预警值为-3.074 mm.

二级预警属于中级预警,对桥梁结构有不利影响,但目前桥梁结构相对安全,应密切关注.

3.3 三级预警

将模拟载荷试验下各孔最大正弯矩工况加载时竖向位移变化值作为三级预警阈值.三级预警属于高级预警,当预警系统出现此类预警时易产生安全事故,应尽快采取措施,并对桥梁安全运营状况进行检查,对桥梁结构异常部位采取必要措施,以避免对桥梁结构造成不可逆的严重损坏.

4 预警结果

根据结构设计信息中的构件尺寸、材料等级以及边界条件等,运用有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁模型,模拟桥梁在设计载荷下竖向位移变化情况,如图6所示.由于在正常试验环境下,载荷试验进行时间较短,可以忽略温度对竖向位移影响,且测得竖向位移值为相对位移,可将模拟结果看作剔除温度效应后的值,模拟试验取竖向位移结果为4 mm.

图6 MIDAS/Civil模拟结果Fig.6 Simulation results of MIDAS/Civil

以主跨第24孔为例,取9月20—22日连续3 d的竖向位移残差进行预警,结果见图7.

图7 竖向位移残差预警结果Fig.7 Early warning result of vertical displacement residual

由图7可见,在时程图上,此监测点无监测值越过一级预警阈值线,竖向位移残差与变化趋势符合规律,在桥梁结构正常的情况下,车辆载荷对桥梁竖向位移的变化残差在0值附近波动,无长期性单调变化趋势.证明桥梁混凝土结构性能良好,运营状态在可控范围内.

5 结 论

通过对混凝土连续刚构桥梁进行长期健康监测,剔除温度效应后,结合模拟试验验证,可以得出以下结论.

1) T型刚构桥跨中竖向位移监测值主要受温度与车辆载荷作用影响,且温度与竖向位移呈较强相关性,通过拟合分析可剔除监测值中的温度作用效应.

2) 针对竖向位移变化残差设置分级预警阈值,可以有效提供桥梁结构的实时状况、预警等级与车辆载荷作用影响,达到预期的预警效果.

3) 需要通过后续采集的温度与竖向位移数据对温度效应回归方程进行实时更新,来保证回归方程及竖向位移残差值的可靠性.有效地提供桥梁结构的实时状况,为桥梁的安全运营提供可靠的数据支持.