中承式钢筋混凝土吊杆拱桥健康监测研究分析

楚帅

摘要 文章结合某中承式钢筋混凝土吊杆拱桥的基本概况，使用Midas Civil专业建模软件对该桥梁进行建模分析，并通过该桥一期恒载、二期恒载、车辆荷载及温度荷载作用下的响应情况，进行动静态响应分析，实现对该桥的健康监测设计和对监测数据的分析，评估了拱桥的安全性。

关键词 健康监测；Midas Civil；动静态响应

中图分类号 U446文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0039-03

0 引言

近几年，随着我国社会经济的大发展，桥梁作为重要的城市基础设施，其数量不断增加。截至2021年底，我国城市和公路桥梁总数已达105万座，其中公路桥梁96万座，城市桥梁9万座。桥梁在长期使用过程中受到外部荷载及环境的影响，会逐渐进入了病害暴发高峰期。美国权威期刊《事故分析与控制》的统计数据表明桥梁平均使用寿命仅为30～40年。根据桥梁这一寿命周期，截至目前，我国有近10万座桥梁正处于危桥状态。

近年来，计算机技术和传感器技术快速发展，开始从航空航天领域逐渐向城市基础设施领域拓展，助推了国内桥梁健康监测的研究进展。从1997建成的香港青马大桥，到南京长江大桥、二桥等桥梁健康监测系统的建设，再到近两年来在城市桥梁群中的应用，桥梁健康监测正在快速地发展[1-2]，进一步保障桥梁安全，为桥梁管养提供辅助决策支持[3]。

该文以某市一座中承式钢筋混凝土吊杆拱桥为例，利用Midas Civil建模软件对桥梁结构进行力学分析，结合桥梁养护过程中的病害及特点，设计了桥梁监测布点方案，实现对桥梁的实时监测，并通过对监测数据的分析，评估了桥梁的安全性能。

1 桥梁概况

该桥位于某市，跨越南淝河。桥梁结构形式为单跨中承式钢筋混凝土吊杆拱桥。桥跨布置1×72.0 m，矢高18.0 m。桥梁全长85.9 m。全宽30.2 m。桥面横向布置：2.6 m（左侧人行道）+4.5 m（左侧辅路）+1.0 m（左侧锚固区）+14.0 m（中央主路）+1.0 m（右侧锚固区）+4.5 m（右侧辅路）+2.6 m（右侧人行道）。

桥梁上部结构为中承式吊杆拱。横向有2片拱肋，对应2片纵梁。纵向布置了16片横梁。各横梁间布设钢筋混凝土板作为行车道板，其中拱肋间有14片矩形空心板，拱肋外各5片槽型钢筋混凝土板。下部结构桥台采用钢筋混凝土桥台，基础为灌注桩。桥面铺装为沥青混凝土，伸缩缝为毛勒式伸缩缝。人行道铺设方砖。桥梁两侧布置铁质护栏。

2 建模分析

主要采用了商业通用有限元分析软件Midas Civil，进行空间内力、应力分布、空间变形情况以及桥梁模态分析，计算时不考虑材料的塑性，结果為弹性结果；主要分析计算正常使用状态的变形和内力水平。

2.1 计算模型及参数

2.1.1 计算参数选取

该桥资料缺失较多，对于不确定的参数，建模取值按下述原则确定：

（1）截面：缺少人行道、快车道、慢车道的桥面板厚度，缺少两片拱之间交叉支撑的截面详图及与拱连接处的节点详图，对于以上尺寸，图纸中有构件图但缺少标注，建模时直接在图上量测；吊杆截面信息没有，且在2002年更换过一次，根据2002年换索时测得的索拉力及伸长量，取钢材弹模为200 GPa，可计算截面面积，建模时直接采用等面积实腹圆形截面。

（2）材料：缺少拱及桥面预制板的混凝土强度，考虑到纵梁和横梁采用C50混凝土，因此拱的混凝土也采用C50；预制空心板的混凝土采用300#混凝土，建模时选用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）约束条件：在桥梁拱脚处设置约束，由于图纸中显示拱脚处为现浇混凝土墩，因此拱脚处设置刚性连接；两端桥面板与道路连接处设置了伸缩缝，建模时约束了竖直和横桥向两个方向的平动，以及纵桥向的扭转自由度，其余自由度均被释放。

2.1.2 计算荷载选取

（1）一期恒载为桥梁承重结构（包括混凝土拱和桥面系结构）。混凝土容重取25 kN/m3。

（2）二期恒载包括栏杆、桥面铺装等，按《荷载规范》计算取值。

（3）车道荷载选用《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中的规定，具体见规范。

（4）在桥梁的最外侧车道布置超载车辆，车辆荷载的尺寸选用《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015）中的标准车辆，将其轴载提高一倍，对应总轴载为110 t的超载车辆。

（5）系统基准温度为10 ℃。①桥梁体系整体升温34 ℃；②桥梁体系整体降温?20 ℃；③梁截面温度梯度：依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015），梁截面温度梯度以规范为准。竖向日照正温差计算的温度基数为T1=14 ℃、T2=5.5 ℃。竖向日照反温差为正温差乘以?0.5。

2.2 计算结果分析

2.2.1 静力分析结果

成桥阶段，要考虑自重、二期及车道荷载作用下的桥梁变形和应力进行分析，具体见图1、2。

2.2.2 动力分析结果

根据该桥结构类型，该文采用子空间迭代法，对该桥动力响应进行分析，并计算得到结构自振频率为0.659 Hz，振型参与质量见表1。

2.3 计算分析结论

综合分析有限元力学计算结果可得出以下结论：

（1）该桥中主梁变形较大的为跨中截面，挠度传感器可布置在跨中截面、1＼4截面以及3＼4截面。

（2）该桥主梁低阶振动响应较明显的为每跨跨中截面以及拱肋跨中截面，主要对拱肋的振动进行监测。

（3）该桥在自重和二期荷载作用下跨中截面正弯矩最大，车道荷载作用下最大正弯矩也在跨中截面，因此，应变测点主要布置在跨中截面。

（4）吊杆作为桥梁主要受力构件，需要针对该桥吊杆进行监测和分析，主要对长吊杆进行监测；另外，拱桥短杆效应也比较明显，因此也需要对短杆进行监测。

（5）温度梯度荷载作用下引起的桥梁结构的响应也比较明显，因此主梁温度的监测也是很有必要的。

（6）整体升温和降温作用下，桥梁的自由伸缩比较明显，因此需要对桥梁伸缩缝的伸缩状况进行监测。

3 健康监测设计分析

3.1 健康监测设计

该文通过对近年来桥梁发生的事故及所出现的问题进行分析，得出桥梁主要的风险为短杆效应、桥台水平平移、开裂、拱肋变形、吊杆锈蚀断丝、横纵梁裂缝和拱肋开裂等。其中一个比较明显的病害就是短杆效应。主要原因是处于拱肋与系杆交界处的桥梁短吊杆受到了较为明显的拱肋温度和受力的变形，导致桥面受到附加拉力，因此，桥梁的短吊杆相比于长吊杆来说，所受到的剪切作用更为明显。另外一个比较明显的病害是吊杆锈蚀断丝，这主要是由于长期的疲劳荷载及环境影响。此外，拱肋变形和开裂对于拱桥来说也是较为明显病害。

通过对桥梁病害进行分析，结合该桥的结构特点以及所处的环境，综合分析拱桥存在的风险以及病害，对该桥进行在线监测与结构安全评估时，要选取部分关键指标进行分析。重点监测内容如下：

（1）主梁以及拱顶的竖向变形。

（2）主梁、纵梁及横梁截面的应变（主跨跨中、边跨）、拱肋的应变（拱顶和拱脚）。

（3）主梁及拱顶的加速度响应。

（4）温度。

（5）吊杆索力。

通过建立桥梁安全运行监测系统，可实现对桥梁结构响应数据的实时感知、分析和预警，保障桥梁结构安全运行。

3.2 监测数据分析

3.2.1 吊杆力分析结果

吊杆作为桥梁结构主要受力构件，其安全性会影响桥梁结构整体的安全，因此，对其监测进行分析尤其重要。该文对该桥对称布置的6根吊杆中1个月的数据进行分析，通过对比分析可发现，这6根吊杆变化相对稳定，且由于受到温度等因素的影响，变化趋势相对一致，结果表明该桥吊杆处于安全运行状态。

3.2.2 挠度分析结果

桥梁挠度变化主要受到外荷载的影响比较明显，通过挠度监测数据可分析桥梁结构整体线性状态，因此，其變化可直接反应桥梁整体变形及安全状态。该文选择8个挠度监测点位1个月的数据进行分析。通过分析可发现，近期挠度变化相对稳定，没有出现异常状态，且由于受到温度等因素的影响，变化趋势相对一致，结果表明，桥梁在正常使用情况下整体线性较好，处于安全状态。

综上所述，通过对吊杆力及挠度监测数据的分析结果可以发现，该桥近期处于安全状态，可继续使用。

4 结语

该文通过中承式钢筋混凝土吊杆拱桥的有限元计算和结构计算分析，结合该桥的结构特点以及所处的环境，综合分析了拱桥存在的风险以及病害，进行了健康监测设计方案，通过对桥梁吊杆力及挠度监测数据的分析评估，得出目前该桥处于安全运行状态的结论。

参考文献

[1]吴多. 基于桥梁全寿命周期的损伤识别及状态评估研究[D]. 西安：长安大学， 2017.

[2]秦权. 桥梁结构的健康监测[J]. 中国公路学报， 2000（2）： 37-42.

[3]陈艾荣， 潘玥， 王达磊， 等. 大数据时代的桥梁维护与安全[J]. 上海公路， 2014（1）： 17-23.