基于检监测数据的运维期桥梁伸缩缝评估体系研究与应用

张小丹 丁鹏程 曹威

摘要：本文研究内容以桥梁运营期检监测数据为基础，通过研究健康监测数据在桥梁技术状况评定、运营管理、养护维修中的应用，有机结合桥梁健康监测系统的动态数据与养护管理系统的静态数据，同时参照现有的公路桥梁技术状况评定标准，试着提出融合实时监测信息和日常养护内容的桥梁结构状况评定方法。最后以大位移伸缩缝人工外观检查与监测指标结合为例形成了相应的评估体系。

[关键词] 检监测数据;运维期桥梁;评估体系;监测指标;伸缩缝

作为桥梁的重要部件之一，伸缩缝将不同桥段衔接成桥梁整体，通过避免风和温度等环境荷载对桥梁整体结构产生过大的作用，有效地保护着桥梁整体结构的安全。桥梁伸缩缝可以满足桥面因诸如混凝土徐变和收缩、环境温度波动和交通荷载等因素产生的变形需求。然而，伸缩缝又是桥梁结构中承担最大动力荷载的附件，它须承受量值不等的各种复杂动力荷载和冲击。并且，由于其长期暴露于自然环境之中，经受各种物理、化學的侵蚀，导致伸缩缝的疲劳和损伤，所以伸缩缝是桥梁结构中最易损坏的构件之一，也是维修最频繁的部分。若伸缩缝损坏，就会引起如跳车、噪声和漏水等现象，不仅影响行车舒适度而且对桥梁结构安全不利。据美国统计数据显示，桥梁中伸缩缝的平均寿命远低于桥梁本身的设计寿命，以索承桥梁一般设计寿命100年为例，伸缩缝的平均寿命仅为10到15年。根据前期的调研与统计，目前在桥梁建造费用中伸缩缝的造价仅占不到1%，但是在桥梁运营阶段中16%的缺陷发生在伸缩缝，伸缩缝的相关维护费用超过总维护费用的20%，这还不包括由于伸缩缝的损坏导致的交通中断造成的间接损失。因此有必要研究提出一套基于检监测数据的桥梁伸缩缝评估体系，实现桥梁养护信息的集成于共享，为桥梁的养护决策提供支撑。

1.运维期桥梁伸缩缝现状

模数式桥梁伸缩装置一般由边梁、中梁、支承横梁、位移控制系统和密封橡胶等构件组成。横梁为刚度和强度都很大的实体矩形截面钢梁;中梁和边梁为异性截面钢梁，根据伸缩量的不同，以80mm为模数设置多根中梁;边梁和中梁以及各个中梁之间设有密封防水胶条;中梁、边梁与横梁之间设有功能性弹簧;缝体锚固在桥面板接缝两侧的混凝土中。模数式桥梁伸缩装置因其能适应较大的梁体变位、防水密封性能良好、管理养护容易、维修更换快捷等特点而被广泛应用于大跨径桥梁之中。

缆索承重桥梁一般跨度较大且结构柔度大，这对其使用的大位移伸缩装置提出了更高的要求。但是由于设计、施工和管理维护的缺陷，使得大跨索承桥梁伸缩装置病害屡见不鲜。作为世界上主跨跨径最长的悬索桥，日本明石海峡大桥于1998年建成通车，采用梳齿式伸缩装置，仅三年后大桥连接铰位置表面涂层出现细微裂纹，根据现场实测数据，发现在强风和车辆荷载作用下，连接铰最大应力达40MPa，计算疲劳寿命仅有15年。结合调研、照片及参考文献，可以发现模数式伸缩装置常见的病害有冲击、疲劳等形式，按形成的原因可分为原材料缺陷、设计不良、施工不当等，主要表现为：

（1）中梁异型钢断裂。形成原因：车辆荷载强烈冲击、材料缺陷、横梁箱体脱空变形。

（2）支承横梁运动受限、伸缩缝卡死堵塞或卡死。形成原因：横梁箱内有异物或进入混凝土、梁端横向位移过大、缝体与横梁箱碰撞。

（3）滑动支承磨损破坏。形成原因：频繁拉压条件下疲劳、安装时不牢固或松动、滑块材料缺陷等。

（4）伸缩缝漏水造成桥梁水害。形成原因：橡胶条在使用过程中频繁张拉导致老化脱落、所用橡胶材料密封性能差等。

（5）锚固区混凝土开裂、破损。形成原因：新旧混凝土间未按要求施工、混凝土品质不满足要求、构件焊点太小导致型钢脱落，发展成混凝土破坏。

2.桥梁伸缩缝检监测评估体系建立

伸缩缝的累计位移行程是评估伸缩缝运行状况的重要指标之一。通过疲劳试验，伸缩缝制造厂商给出了不同类型伸缩缝滑块的允许累计位移梁，对于PTFE（聚四氟乙烯）材料的为10km，对于MSMR材料的为50km。当运营阶段伸缩缝的累计位移量超过厂商给出的允许值时，滑块就很容易发生磨损，导致伸缩缝纵梁与小横梁直接接触摩擦，进一步加快伸缩缝的损坏速率。为了确保桥梁的安全运行，结合桥梁结构健康监测系统，通过对于伸缩缝纵向位移的实时监测，分析伸缩缝监测数据，为伸缩缝的剩余寿命预测、预防性养护和及时更换提供科学支撑，降低伸缩缝损坏可能性，减少伸缩缝的维修成本。同时，桥梁结构健康监测技术为指导今后类似桥梁的设计工作提供了帮助，使桥梁易损构件的损伤发展趋势推演和剩余使用寿命推演变为可能。

对于大位移伸缩缝来说，综合考虑桥梁的安全性、适用性和耐久性，将伸缩缝的监测数据指标应用于原有的伸缩缝状态评估体系中去。正常状态下，桥梁伸缩缝位移和温度之间存在较稳定的相关关系，而当发生异常或出现结构损伤，伸缩缝位移-结构温度模型则可能会发生变化，因此可以结合健康监测实测数据，利用伸缩缝位移-结构温度模型实现对伸缩缝状态的分析和评价。此外，考虑到伸缩缝的累积位移是决定伸缩缝使用寿命的一个重要因素，因此还可以利用梁端位移数据，在通过噪声的去除和傅里叶变换。计算伸缩缝的有效累积位移，预测伸缩缝的使用寿命。

3.结束语

综上所述，针对目前长大桥梁健康监测系统与养护管理系统在运营期应用存在的不足，本文开展长大桥梁健康监测系统与养护管理系统一体化研究，实现桥梁健康监测系统的动态数据与养护管理系统的静态数据的有机结合，同时参照现有的公路桥梁技术状况评定标准，试着提出融合实时监测信息和日常养护内容的桥梁结构状况评定方法，最终实现桥梁健康监测系统与养护管理系统评价指标体系一体化，

【参考文献】

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基金项目：本文系国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项2017年度项目《城市典型交通基础设施运维安全关键技术研究》（2017YFC0806000）研究成果