趙大成 吳少雄 劉興旺，3 劉華 戴鵬飛 陳斌

（1.中鐵橋隧技術(shù)有限公司，南京 210061；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，南京 210015；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189）

橋梁結(jié)構(gòu)主梁撓度是橋梁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是結(jié)構(gòu)剛度的重要體現(xiàn)，其作為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是結(jié)構(gòu)運(yùn)營期安全預(yù)警評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)。大跨橋梁撓度監(jiān)測(cè)設(shè)備多樣，主要有連通管、GPS、傾角儀、激光設(shè)備等。連通管具有多點(diǎn)同步、量程大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中［1-3］。諸多學(xué)者基于橋梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全預(yù)警及評(píng)估［4-6］，但對(duì)矮塔斜拉橋撓度實(shí)時(shí)預(yù)警鮮有涉及。

本文以蕪湖長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，將大橋撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以天為單位，分時(shí)段提取非過車情況下主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析。采用系統(tǒng)測(cè)速儀定位列車過橋時(shí)間，截取列車影響下的撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并作統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而對(duì)撓度指標(biāo)設(shè)定預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)預(yù)警。

1 工程背景

蕪湖長(zhǎng)江大橋是國家“九五”重點(diǎn)交通建設(shè)項(xiàng)目，也是我國在長(zhǎng)江上建造的第1座雙層公鐵兩用矮塔斜拉橋。大橋由公鐵主橋、鐵路引橋和公路引橋三大部分構(gòu)成。其中，公路橋全長(zhǎng)5681.25 m，正橋長(zhǎng)2193.7 m。蕪湖長(zhǎng)江大橋于1997年3月22日正式開工，2000年9月建成通車［7-8］，其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2017年10月正式啟用，共布置了128 個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用連通管監(jiān)測(cè)主梁撓度，撓度采樣頻率為1 Hz，精度為±1 mm，分布在邊跨跨中、主跨跨中及主跨1/4 和3/4 截面，上下游對(duì)稱布置在鋼桁梁下弦桿上部。環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)采用YGM430 溫濕度傳感器，采樣頻率為1 Hz，精度為±0.3 ℃，布置在主跨跨中。撓度（ND）及環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)（WSWD）見圖1，10#主塔為撓度基站位置。典型撓度測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置見圖2。

圖1 蕪湖長(zhǎng)江大橋撓度測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

圖2 撓度測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

2 撓度分析

以2017年12月30日凌晨至1 點(diǎn)（環(huán)境溫度為9.86 ℃）主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為基準(zhǔn)值并進(jìn)行歸零，所得撓度為正表示主梁上撓，撓度為負(fù)表示主梁下?lián)稀?018年01月07日至01月14日主跨跨中上游撓度測(cè)點(diǎn)ND-08-01及跨中環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)WSWD-08-01時(shí)程曲線見圖3。

由圖3 可知，列車荷載及環(huán)境溫度是影響主梁撓度變化的主要因素，大橋主跨跨中撓度在溫度影響下呈現(xiàn)明顯的“類正弦”周期性變化趨勢(shì)?？缰袚隙扰c環(huán)境溫度變化趨勢(shì)相反，即環(huán)境溫度升高時(shí)主跨跨中下?lián)稀Ｖ芷谛在厔?shì)中上下突出的“毛刺”發(fā)生在列車過橋時(shí)段，由列車荷載引起。

2018年01月07日凌晨至1點(diǎn)（環(huán) 境 溫 度 為2.76 ℃）上行單次貨運(yùn)列車過橋時(shí)大橋主跨跨中撓度時(shí)程曲線見圖4。

圖4 單次貨運(yùn)列車過橋時(shí)大橋主跨跨中撓度時(shí)程曲線

由圖4 可知，車頭進(jìn)入、車尾駛出橋梁邊跨時(shí)，荷載集中在邊跨，主跨跨中輕微上撓（1，2號(hào)矩形框），當(dāng)列車車身位于2 個(gè)主塔之間時(shí)，由于部分列車荷載位于邊跨，減少了跨中撓度（3號(hào)矩形框）。

對(duì)蕪湖長(zhǎng)江大橋2018年跨中撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析。全年撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為31536 000 個(gè)，與環(huán)境溫度整體相關(guān)性見圖5（a）。受列車荷載的影響，相關(guān)系數(shù)R=-0.587，說明撓度與環(huán)境溫度的相關(guān)性不顯著。提取每天凌晨至1 點(diǎn)非過車時(shí)段撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（過車時(shí)段撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用空值代替）并取平均值，與對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性見圖5（b）。相關(guān)系數(shù)R=-0.944，說明撓度與環(huán)境溫度顯著相關(guān)。圖中給出了95%保證率上下分位線，下分位線用于在主跨跨中溫度影響下設(shè)定撓度預(yù)警閾值。

圖5 環(huán)境溫度與跨中撓度相關(guān)性分析

大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全年車速儀有效識(shí)別列車33703 次。根據(jù)車速儀記錄的過車時(shí)段，截取跨中撓度數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)每輛列車過橋時(shí)跨中撓度變化幅值（跨中最大上拱值與最大下?lián)现抵停?，撓度變化幅值時(shí)程曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。

圖6 過車時(shí)段撓度變化幅值時(shí)程曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖6 可知：全年列車過橋時(shí)主跨跨中撓度變化幅值最大值為253.31 mm；統(tǒng)計(jì)結(jié)果中有3 個(gè)波峰極值點(diǎn)，主要是由于客運(yùn)和貨運(yùn)列車荷載不同所致?？瓦\(yùn)列車過橋時(shí)，跨中撓度變化幅值集中在［40.72，43.20］mm；貨運(yùn)列車過橋時(shí)，跨中撓度變化幅值集中在［115.10，117.60］mm；部分客運(yùn)、貨運(yùn)列車空載或輕載過橋時(shí)跨中撓度變化幅值集中在［18.4，20.88］mm。

3 預(yù)警閾值分析

溫度發(fā)生變化時(shí)，撓度往往會(huì)滯后一段時(shí)間再發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致?lián)隙扰c溫度相關(guān)性發(fā)散。環(huán)境溫度變化率越大，時(shí)滯效應(yīng)對(duì)相關(guān)性的影響越大。為了減小時(shí)滯效應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度和撓度相關(guān)性的影響，將每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以1 h 為區(qū)段進(jìn)行劃分，以2018年每天各個(gè)時(shí)段環(huán)境溫度與非過車時(shí)段撓度平均值做相關(guān)性分析。其表達(dá)式及相關(guān)系數(shù)分別為

式中：Di為撓度線性擬合值；D下，i為撓度在95%保證率的下分位線值；ki為斜率；Tj為環(huán)境溫度；b1，i為線性相關(guān)性截距；b2，i為95%保證率的下分位線斜率；i為每天分析時(shí)段；j為天數(shù)。

撓度與環(huán)境溫度各個(gè)時(shí)段相關(guān)性見表1?？芍?，各個(gè)時(shí)段相關(guān)系數(shù)集中在［-0.97，-0.91］，說明環(huán)境溫度與撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。

表1 撓度與環(huán)境溫度各個(gè)時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性

基于以上環(huán)境溫度及列車荷載對(duì)主梁撓度的影響分析，采用各個(gè)時(shí)段撓度在95%保證率的下分位線值D下，i與全年列車過橋時(shí)撓度變化幅值最大值A(chǔ)列車之和對(duì)撓度的預(yù)警閾值W閾值進(jìn)行設(shè)置，即

一般情況下，系統(tǒng)運(yùn)營一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本包含了各種環(huán)境及不同種類、不同列車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。若分析時(shí)段系統(tǒng)運(yùn)行正常，則系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映橋梁在健康狀態(tài)下的特征信息。若后續(xù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過基于一年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值，原因是：①系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常?？梢酝ㄟ^查看同類型、同截面相關(guān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別，也可通過力學(xué)分析判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否合理。②結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)報(bào)警，如地震、車船撞、極端天氣、超載列車等導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限，若結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷則需進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，若無異常則將該樣本數(shù)據(jù)納入統(tǒng)計(jì)分析樣本數(shù)據(jù)中，重新計(jì)算模型并統(tǒng)計(jì)分析，更新指標(biāo)閾值。

基于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2018年撓度及環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立分析模型，得到預(yù)測(cè)預(yù)警時(shí)程曲線，并采用2019年第1 季度跨中撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，見圖7?？芍?，撓度預(yù)警閾值和撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，閾值隨環(huán)境溫度變化而變化，具有實(shí)時(shí)性；閾值量值較小，可以有效防止結(jié)構(gòu)異常信息的漏報(bào)。說明采用相關(guān)性分析與列車荷載影響下?lián)隙冉y(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法具有一定的通用性，可為同類型橋梁撓度預(yù)警閾值設(shè)置提供有力支撐。

圖7 主跨跨中主梁撓度預(yù)警時(shí)程曲線

4 結(jié)論

本文以蕪湖長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，分析環(huán)境溫度與跨中撓度相關(guān)性，并研究列車荷載影響下?lián)隙鹊淖兓?guī)律，從而設(shè)置預(yù)警閾值。主要結(jié)論如下：

1）撓度時(shí)程隨環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)明顯的周期性，各個(gè)時(shí)段環(huán)境溫度與對(duì)應(yīng)非過車時(shí)段撓度相關(guān)系數(shù)集中在［-0.97，-0.91］，環(huán)境溫度與撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。

2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全年有效識(shí)別普速鐵路客貨運(yùn)列車33703次。列車引起主跨跨中撓度變化幅值最大值為253.31 mm，客運(yùn)、貨運(yùn)列車過橋時(shí)跨中撓度變化幅值分別集中在［40.72，43.20］，［115.10，117.60］mm；部分客運(yùn)、貨運(yùn)列車空載或輕載過橋時(shí)跨中撓度變化幅值集中在［18.40，20.88］mm。

3）基于各個(gè)時(shí)段撓度在95%保證率的下分位線值與全年列車過橋時(shí)撓度變化幅值最大值之和設(shè)定了撓度預(yù)警閾值。閾值隨環(huán)境溫度變化而變化，具有實(shí)時(shí)性且閾值量值較小，可以有效防止結(jié)構(gòu)異常信息的漏報(bào)。