GFRP自感知监测设备在高速铁路四线桥中的应用

杨彦海 李恩良 韩晓强 马广 王显进 郭西锐

1.中国铁路建设管理有限公司，北京 100844；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；3.杭绍台铁路有限公司，杭州 311200；4.智性科技南通有限公司，南通 226010

高速铁路建设及运营过程中，对重大桥梁结构通常采用应变计、应变片等设备来监测其应力状态。但是受施工、材料、环境等因素的影响，这些设备易损坏，造成监测中断或所测数据准确性较差［1-2］。

玻璃纤维增强复合塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP）具有高强、轻质、耐腐蚀等特点［3-4］，欧进萍院士团队基于GFRP 和光纤传感技术研制了具有自感知特性的应变计、智能筋等监测设备，如图1所示。

图1 玻璃纤维自感知监测设备

应变计、智能筋设置于混凝土构件之中，用于监测混凝土和钢筋的应力状态。目前这两种监测设备已在公路、建筑领域的长期健康监测中得到应用［5-10］，但在铁路工程领域尚无应用案例。因此，本文以杭台高速铁路椒江特大桥的一联四线预应力混凝土连续梁为工程背景，对上述两种监测设备开展应用研究。

1 工程概况

杭台高速铁路设计速度为350 km/h。椒江特大桥辅助通航孔采用一联（72.8 + 4 × 124 + 72.8）m 四线预应力混凝土连续梁跨越，梁全长641.6 m，梁高5.60 ～9.60 m。主梁立面布置如图2所示。

图2 主梁立面布置（单位：m）

该梁采用单箱三室变高度直腹板截面，桥面顶板宽23.2 m，底板宽17.3 m。顺桥向顶板厚50 ～75 cm、底板厚52 ～ 120 cm、腹板厚50 ～ 110 cm，在桥墩中心线处及各跨跨中均设置带过人孔的横隔板。42#—43#墩之间的试验断面如图3所示。

图3 试验断面布置（单位：m）

梁体采用C55 高性能混凝土，纵向预应力采用抗拉强度标准值为1 860 MPa 的高强度低松弛钢绞线，普通钢筋采用HRB400级热轧带肋钢筋。

主梁施工时在试验断面中设置了玻璃纤维自感知应变计和智能筋，并作为数据采集端和监测云平台进行无线连接。通过系统输出的实测值与计算值进行对比，评价两种监测设备的工作性能。

2 数值模拟

2.1 整体模型

采用有限元计算软件BSAS 建立主梁整体模型，主梁、桥墩支座、预应力钢束分别采用梁单元、支座约束、钢筋单元进行模拟，共划分为258个单元、259个节点。模型材料特性见表1。

表1 模型材料特性

自重、预应力、二期恒载分别以体积力、预应力荷载、梁单元荷载的形式施加，列车荷载采用ZK 活载，以影响线的形式施加。整体模型如图4所示。

图4 整体模型

2.2 局部模型

局部模型能体现试验断面所在区域的精细化受力情况。根据圣维南原理，采用有限元计算软件FEA对包含试验断面在内的30 m 长主梁节段建立局部模型，具体范围参见图2。

混凝土采用实体单元模拟，预应力钢束和普通钢筋均采用钢筋单元模拟，共划分为1 206 708 个单元、676 106个节点。顺桥向为x轴方向。

FEA 能够对实体单元节点和钢筋单元节点之间的6 个自由度进行自动耦合，实现混凝土和钢筋共同变形和受力。自重、预应力分别以体积力、预应力荷载的形式施加。二期恒载根据桥面附属结构的实际分布以均布力的形式施加。列车荷载按ZK 活载根据实际作用区域以面荷载形式施加。

局部模型两端的位移边界条件按简支支承施加。力边界条件同整体模型，其中轴力由预应力引起，各预应力钢束的锚下控制应力按1 320 MPa 施加，弯矩和剪力见表2。

表2 力边界条件

2.3 模拟结果

在自重、预应力、二期恒载共同作用下整体模型和局部模型各部位顺桥向应力对比见图5。各部位所受应力均为压应力。

图5 整体模型和局部模型各部位顺桥向应力对比

由图5 可知：①两个模型同一部位应力变化趋势基本一致，差值较大区域位于跨中附近，这是由于将跨中横隔板换算成梁单元荷载施加在整体模型上，而局部模型直接将横隔板以实体单元建模。②整体模型顶板、中性轴、底板顺桥向应力分别在4.74 ～7.32 MPa、5.81 ～ 7.17 MPa、6.93 ～ 8.18 MPa，局部模型应力分别在 4.43 ～ 7.02 MPa、5.41 ～ 6.83 MPa、6.54 ～7.81 MPa。可见，相同部位两种模型的受力状态基本一致，说明所建局部模型比较合理。以下采用局部模型的应变计算值与实桥断面实测值进行对比。

3 工程现场测试

3.1 测点布置及监测设备的安装

在试验断面上布置10 个测点，其中测点1—测点4 位于梁顶板，距梁顶面7.3 cm，测点5—测点6 位于中腹板中性轴处，距梁底面280 cm，测点7—测点10位于梁底板，距梁底面7.5 cm，如图6所示。

图6 测点布置

在测点1—测点10 处分别安装1 个应变计用于监测混凝土应变，同时在测点2—测点9处分别安装1根智能筋用于监测钢筋应变。安装时采用尼龙带将2种监测设备分别绑扎固定，将带防护套管的连接线引出桥面并连接至监测云平台的数据采集设备上，并对防护套管进行绑扎固定。

3.2 试验数据的采集及输出

从2020年10月应变计和智能筋安装完成至2021年9月底全线联调联试，监测云平台每天开机2 次，每次采集数据5 min，采集频率为3 Hz。从联调联试至今一直开机，采集频率为100 Hz，数据由监测云平台的用户端设备输出。

监测云平台建立以来，试验数据采集和输出均无异常。因采集频率高，试验数据量很大，仅以其中一个时间段的数据为例进行说明。

2021年10月 10日上午 09：16：47 到 09：18：07 的应变实测数据见图7。期间有一列16辆编组的动车组从杭州侧驶过。从车头驶入连续梁到车尾驶出总时长约15 s，采集数据约1 500 个，对应图中序号3 500 ～5 000区段。其中应变为正表示受拉，应变为负表示受压。可见：该区段内混凝土和钢筋各测点的应变变化较明显，整体呈现出两个波峰和两个波谷，并且第二个波峰或波谷的波动幅度更大。这是因为连续梁有4个主跨，试验断面布置在第一个主跨中部，试验断面的受力影响线在不同主跨上符号相反。其他无动车组通过区段应变保持平稳。

图7 应变实测数据

3.3 实测值与计算值对比

将2021年9月至2022年1月无动车组通过时各测点应变的实测值取平均值，并与计算值进行对比，见表3。将动车组通过前后各测点应变增量的实测值取平均值，并与计算值进行对比，见表4。

表3 无动车组通过时应变实测值与计算值对比

表4 动车组通过前后应变增量实测值与计算值对比

由表3、表4可知：①无动车组通过时，各测点处混凝土应变实测值与计算值相差2.38% ～6.13%，钢筋应变实测值与计算值相差1.38%～4.19%。②动车组通过前后，测点5、测点6 的混凝土和钢筋应变增量实测值与计算值相差较大，因为这两个测点位于中性轴处，动车组通过前后该处受力变化很小，应变增量也很小。其他测点混凝土应变增量实测值与计算值相差10.83% ～15.63%，钢筋应变增量实测值与计算值相差5.63%～9.45%。③混凝土应变或应变增量的偏差均大于钢筋，这是因为现场施工时场拌混凝土弹性模量离散性较大。

4 结论

1）所建局部模型比较合理，计算得到的应变可用于评价GFRP自感知应变计和智能筋工作性能。

2）两种监测设备的工作性能稳定，反应灵敏。各测点混凝土和钢筋实测应变曲线在无列车通过时比较平稳，有列车通过时呈现出与主梁受力一致的波峰和波谷。

3）两种监测设备均能较准确地反映桥梁结构的瞬时和长期受力情况，无列车通过时各测点的应变、列车通过前后各测点的应变增量均与计算值基本吻合。

监测云平台建立一年半以来，两种监测设备运行状况良好，可进一步尝试应用于铁路桥梁长期健康监测中。