基于监测数据的钢管混凝土拱桥健康安全评估_蓝先林.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 1收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 7通信作者:蓝先林(1 9 9 3-),男,工程师,硕士。基于监测数据的钢管混凝土拱桥健康安全评估蓝先林 王德铭 马生涛 陈子彦 朱承前(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 5 5 0 0 8 1)摘 要 为评价钢管混凝土(C F S T)拱桥营运阶段的健康状况,利用B I M和m i d a sC i v i l平台分别建立某C F S T拱桥健康监测系统和有限元模型,结合实测数据对C F S T拱桥有限元模型进行修正,在修正后的有限元模型基础上,从受力变形的角度对C F S T拱桥安全状况进行评估。研究表明,在1/4截面和3/4截面的主梁挠度实测值平均分别为2 5.1 0mm和2 2.8 7mm;结合修正后的基准有限元模型进行C F S T拱桥的结构安全状态评估,结果表明,C F S T拱桥结构处于安全状态。关键词 C F S T拱桥 B I M模型 健康监测系统 基准有限元模型 安全评估中图分类号 U 4 4 7 随着“互联网+”和B I M技术的发展,传统土建行业也有了创新发展方向,基于B I M技术的桥梁健康监测与结构安全评估成为国内外研究热点。而钢管混凝土(C F S T)拱桥由于造型奇特,形式多样,因此对C F S T拱桥进行健康监测及安全评估十分有必要。刘建斌1、张俊2、沈艳琳等3采用新技术,如光纤传感等探究新型传感器技术在桥梁健康监测中的应用,并取得了较为理想的研究成果。杨勇等4-5探究了飞鸟式C F S T拱桥的健康监测系统,李 晰 等6采 用F D D法 研 究 了 环 境 激 励 下C F S T拱桥的模型识别及修正问题,滕宇7则从C F S T拱桥的检测和养护方面给出了一定的建议,缪长青等8采用多尺度有限元法探究了异形C F S T拱 桥 的 健 康 监 测 问 题,谢 开 仲9、丁 睿等1 0-1 1研究了C F S T拱桥中用于健康监测的传感器布置方式。以上研究均未从实际监测数据出发,对拱桥的结构安全进行评估。基于上述研究,以实际的健康监测数据为依托,探究C F S T拱桥的健康监测及结构安全评估问题。1 工程概述及有限元模型1.1 工程概述以贵州境内某中承式钢管混凝土拱桥为研究背景,其跨径布置为1 2m+1 7 5m+1 2m。主拱拱肋采用中承式钢管混凝土平行拱,拱轴线为悬链线,拱轴系数m=2.2,拱肋轴线理论矢高4 0m,矢跨比为1/4.3 7 5,拱肋横向中心距为2 9.5m。每个拱肋由1个直径为10 0 0mm的上弦钢管和2个直径为7 0 0mm的下弦钢管组成,拱肋的上、下弦管内灌注C 5 0自密实混凝土。拱肋间沿纵向设置7组一字横撑和2组K字横撑。主拱吊杆设置1 1对,端吊杆和其他吊杆分别采用1 8 7,1 3 9根直径为17mm的预应力光面镀锌高强度低松弛钢丝组成。主拱桥面系由钢横梁、钢纵梁、钢筋混凝土桥面板组成。1.2 有限元模型基于m i d a sC i v i l 2 0 1 9建立三维空间有限元模型,采用梁单元模拟主拱、主纵梁、次纵梁、横撑、拱上立柱,在主拱圈建模时,将钢管和混凝土2种材料均等效换算为钢材一种材料。采用板单元模拟桥面板,采用桁架单元模拟吊杆,在拱脚处固结6个自由度,梁端桥面处支座1采用纵向活动支座,支座2采用多向活动支座,支座3采用横向活动支座,支座4采用固定铰支座,其有限元模型见图1。图1 有限元模型2 C F S T拱桥健康监测系统以B I M为基础,建立包含传感器子系统、数据采集与传输、数据处理与控制、中心库数据、结构安全预警和用户截面子系统的C F S T拱桥健康监测系统见图2,传感器测点总体布置见图3。图2 C F S T拱桥监测系统图3 测点总体布置图(单位:c m)分析图3可知,该监测系统中的监测参数包括:风速风向、主梁挠度、吊杆索力、主拱应力、振动加速度、环境温湿度和主梁纵向位移。基于该监测系统,可实时解算并进行初步分析,对处理结果进行展示,实时数据展示以监测项为分类标准。在某一类监测项中,通过图形化展示传感器位置分布,同时在页面下方显示传感器实时数据列表、时程曲线、相关性分析等,通过友好的界面,清晰直观地展示监测数据,反映桥梁结构和周围环境的实时状态。桥梁监测系统虽然可实时解析和初步分析桥梁当前受力状况,但由于传感器布设数量有限,不能全面地对桥梁受力和变形进行分析和评估。为解决上述问题,首先可将桥梁实际监测数据与理论有限元模型计算数据进行对比,其次根据两者差值,将有限元模型修正到可反映桥梁当前实际受力状态的基准有限元模型,最后基于该基准有限元模型,从数值模拟的角度更为全面地对拟监测桥梁的受力状况和变形进行分析与评估。3 实际监测值与理论计算值对比3.1 实际监测数据限于篇幅,下面仅给出3个典型截面G 0 2(1/4截面)、G 0 3(2/4截面)、G 0 4(3/4截面)的基于健康监测系统得到的主梁挠度实际监测值见图4。图4 截面挠度平均值分析图4可知:G 0 2截面和G 0 4截面沉降值要大于跨中截面沉降值,但3个典型截面的挠度监测值均未超过黄色和红色预警阈值;G 0 2截面和G 0 4截面平均最大值分别为2 5.1 0mm和2 2.8 7mm。3.2 理论计算利用上述建立的有限元模型,输入实际监测的温度荷载值,可计算得到实际温度荷载作用下的主梁挠度理论计算值,计算结果见表1。表1 主梁挠度理论计算值mm截面G 0 2G 0 3G 0 4挠度2 3.2 91 6.6 32 2.3 2 由表1可知,G 0 2、G 0 3和G 0 4截面的主梁挠度理 论 计 算 值 分 别 为2 3.2 9,1 6.6 3和2 2.3 2mm。3.3 对比分析由于监测数据是对一段时间的统计平均值,即温度荷载作用下导致的静挠度,而汽车荷载作用下的瞬时动挠度是不能通过基于连通管原理的静力水准仪来测得的,因此文中的主梁挠度实测值为静挠度。基于理论有限元模型计算得到的主梁挠度理论计算值与上述实测值对比结果见表2。表2 实测值与理论值对比截面实测值/mm理论值/mm相对误差/%G 0 22 5.1 02 3.2 9-7.2 2G 0 31 6.8 01 6.6 3-1.0 1G 0 42 2.8 72 2.3 2-2.4 0 由表2可知:主梁各关键截面挠度的理论计算值均小于实测值;G 0 2截面的挠度理论计算值与实测值相差最大,最大相差7.2 2%,即实测值比理论计算值增加了7.2 2%。25蓝先林等:基于监测数据的钢管混凝土拱桥健康安全评估2 0 2 3年第1期4 有限元模型修正由于理论计算值与实测值存在一定的差距,为更加全面地评估C F S T拱桥健康状况,有必要对理论有限元模型进行修正,使其能够反映当前拱桥实际受力状态。影响中承式拱桥主梁变形的主要因素很多,但其中影响最大的是主拱刚度和吊杆刚度,而由健康监测系统的主拱自振频率监测分析结果可知(见图5),主拱刚度并未发生退化和折减,故下面仅从吊杆刚度进行模型修正。注:图中的自振频率是根据测得的加速度值按频率法换算得到的结构频率。图5 主拱自振频率监测值G 0 2截面主梁挠度实测值与理论值相差最大,故此处给出1/4截面附近吊杆直径折减对主梁竖向挠度的影响,结果见表3,其中“比例”一列中,“-”表示在原吊杆直径基础上对其直径进行折减。表3 1/4截面附近吊杆直径对主梁竖向挠度的影响比例/%中吊杆直径/m端吊杆直径/m挠度/mm-1 00.0 7 20.1 2 22 4.2 6-2 00.0 6 60.1 0 82 4.8 6-3 00.0 5 80.0 9 52 5.9 7-4 00.0 4 90.0 8 12 7.5 1-5 00.0 4 10.0 6 82 9.7 5-6 00.0 3 30.0 5 43 3.1 6 由表3可知,当吊杆直径调整比例为-2 0%-3 0%时,1/4截面主梁竖向挠度值为2 4.8 62 5.9 7mm,包含了实际监测值2 5.1 0mm。为更准确地 确 定 吊 杆 直 径 调 整 比 例,在-2 0%-3 0%之间再进行试算,试算结果见表4。由表4可知,当吊杆直径调整比例在-2 2%时,1/4截面主梁竖向挠度值为2 5.0 6mm,非常接近实际监测值2 5.1 0mm。因此,可将-2 2%作为吊杆直径的最终调整比例,也即得到了优化后的能体现C F S T拱桥当前实际受力状态的有限元模型。表4 1/4截面附近吊杆直径对主梁竖向挠度的影响比例/%中间吊杆直径/m端吊杆直径/m挠度/mm-2 00.0 6 60.1 0 82 4.8 6-2 10.0 6 50.1 0 72 4.9 6-2 20.0 6 40.1 0 52 5.0 6-2 30.0 6 30.1 0 42 5.1 6-2 40.0 6 30.1 0 32 5.2 6-2 50.0 6 20.1 0 12 5.3 7 综上所述,当1/4截面附近的吊杆直径减少2 2%时的有限元模型可较为真实地反映该拱桥当前实际受力状况,可基于该修正后的有限元模型,从内力和变形的角度对该拱桥进行结构安全评估。5 结构安全评估5.1 主拱应力评估C F S T拱桥在成桥阶段和营运阶段的主拱肋应力见表5,限于篇幅此处仅给出主拱肋应力在营运阶段沿拱肋分布情况见图6。表5 主拱肋应力表MP a位置成桥阶段营运阶段拱脚上拱肋-1 4 1.9-1 9 1.71/4上拱肋-5 3.1-5 7.8拱顶上拱肋-8 2.6-9 0.1拱脚下拱肋-2 6.6-2 8.81/4下拱肋-6 1.2-6 5.5拱顶下拱肋-5 0.6-5 4.9图6 营运阶段上拱肋应力(单位:MP a)由表5和图6可知,成桥阶段上拱肋在拱脚处的应力为-1 4 1.9 MP a,在营运阶段应力值为-1 9 1.7MP a,均为压应力。此部分应力是钢管和混凝土共同承担的压应力,在建模时,将钢管和混凝土2种材料等效为钢材1种材料。主 拱 钢 管 采 用Q 3 4 5 D钢(屈 服 强 度3 4 5MP a),可见在成桥阶段和营运阶段拱脚引力未超过材料强度,主拱应力处于安全状态。5.2 吊杆受力评估成桥阶段和营运阶段吊杆内力与应力计算结果见表6和图7,吊杆编号见图3,由于本桥具有对称性,故此处仅给出16号吊杆受力情况。352 0 2 3年第1期蓝先林等:基于监测数据的钢管混凝土拱桥健康安全评估表6 吊杆内力与应力编号 成桥阶段 营运阶段 内力/k N应力/MP a内力/k N应力/MP a123 4 6.9 1 02 6 9.527 7 1.9 6 53 1 8.3213 0 7.5 6 84 0 3.015 6 7.1 0 24 8 3.0312 8 4.1 2 83 9 5.815 3 4.9 6 14 7 3.1414 4 8.2 5 62 6 8.717 4 1.8 4 33 2 3.2513 8 1.8 1 92 5 6.416 5 7.9 1 53 0 7.6613 2 8.8 1 22 4 6.516 0 1.0 9 52 9 7.1图7 营运阶段吊杆应力(单位:MP a)分析表6和图7可知。1)吊杆直径折减处的吊杆(吊杆编号13)应力值较大,这是因为直径减小,受力面积减小,应力值随之增大,最大可达4 8 3MP a。2)1号吊杆内力值在成桥阶段和营运阶段均大于其他吊杆,这是因为1号吊杆为端吊杆,所承担的桥面重量更大。3)在 营 运 阶 段2号 吊 杆 应 力 最 大 为4 8 3MP a,而中间吊杆采用强度为16 7 0MP a的镀锌高强度低松弛钢丝束,