跨湖特大桥智能型支座应用研...——以南京石臼湖特大桥为例_徐衍亮.pdf

2023.3,3（2）|工程建造与维护跨湖特大桥智能型支座应用研究以南京石臼湖特大桥为例徐衍亮（南京市公路事业发展中心，江苏 南京 210000）摘要：智能支座作为一种对使用状态和病害进行高精度实时检测的桥梁支座产品，弥补了传统人工观测方式可能出现的精度低、可靠性差等问题，实现了对桥梁潜在风险的监测与预警。根据南京石臼湖特大桥管养中智能型支座的应用实践，总结了公路桥梁管养过程中的支座病害类型与原因，介绍了自行研发的智能型支座的结构、技术特点和功能特性，对应用过程中采用的数据进行汇总分析研判，从桥梁日常管养角度提出智能型支座数据与病害的对应关系，以期通过分享智能支座应用经验，在提升交通行业桥梁管养水平，保证行车安全方面有所裨益。关键词：桥梁；智能支座；病害；精准检测Research on the application of intelligent bearing for lake crossing super large bridge:a case study of Shijiuhu Super Large Bridge in NanjingXU Yanliang（Nanjing Highway Development Center，Nanjing 210000，China）Abstract：As a product of high-precision real-time detection of bridge performance，intelligent bearing makes up for the problems of low precision and poor reliability that may occur in traditional manual observation，and realizes the prediction of potential risks of bridge.Based on the application practice of intelligent bearing pipe maintenance of Nanjing Shijiuhu Bridge，this paper summarizes types and causes of the bearing disease in the process of highway bridge pipe maintenance，introduces the function，structure and technical characteristics of intelligent bearing developed by ourselves.The data used in the application process are summarized，analyzed and judged，and puts forward the corresponding relationship between intelligent bearing data and disease from the perspective of daily bridge pipe maintenance.It is expected that by sharing the application experience of intelligent bearings，it will be beneficial to improve the level of bridge management in the traffic industry and ensure driving safety.Key words：bridge；intelligent bearing；disease；accurate detection引 言公路桥梁是交通运输系统的重要组成部分，在整个交通运输网络中发挥着至关重要的作用。桥梁中的支座是桥梁承重、转动和位移的主要构件，被喻为“桥梁关节”，也是桥梁中最容易出现磨损、疲劳和中图分类号:U443.36 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0065-05收稿日期：2022-11-29作者简介：徐衍亮（1971），男，学士，高级工程师。研究方向：公路和桥梁养护管理。65病害的结构1-2。在桥梁全生命周期内，桥梁负载、地震、内部构件老化等因素均会对支座造成不同程度的损伤，并导致交通运输能力的下降，严重影响着公共安全和地区经济3。目前对桥梁支座健康状态的判别大多通过人工观测等传统方法，只能从表观上粗略判断桥梁支座是否出现损伤，除非支座已发生明显损坏，否则很难发现问题并及时预警，且该方式以人工经验为主，缺乏准确、科学的数据支撑，不能建立准确的分析模型及对应关系，无法反映桥梁支座的真实健康状况，存在较大的局限性4-5。针对上述难题，提出了可以实现实时自动监测的智能型支座的概念，但其相关研究仍处于起步阶段。如何在传统支座的基础上推动桥梁支座的智能化发展，从而实现事故的提前自动预测，进而分析掌握桥梁的健康状况，并及时地消除风险是当前各级交通建、管、养部门面临的主要难题和行业痛点。因此，开展智能型桥梁支座的应用研究显得尤为必要。本文研发了一种智能型支座，并在南京石臼湖特大桥上开展了应用实践，重点对应用过程中采集的数据进行了汇总分析，证明了智能型支座的可行性和有效性。1桥梁支座病害及原因分析1.1病害类型我国桥梁工程中较为常见的支座类型有板式橡胶支座、盆式支座和球形支座等6，由于结构形式和用材的差异，在实际使用中表现出不同的病害形式。1.1.1板式橡胶支座板式橡胶支座在运营过程中的主要受力形式为压缩和剪切，主要损坏与失效案例为压缩变形、剪切破坏和挤出安装位置、脱空，其中脱空最为危险7-8。以南京石臼湖特大桥为例，其在常规检查中即发现两个点位的支座滑移量过大，处于基本脱空或半脱空状态，如图 1和图 2所示。日常管养中需要检查滑移状况不能脱空窜位，变形、倾角不能过大等指标。1.1.2盆式支座盆式支座在运营过程中的主要受力形式为压缩，主要损坏与失效案例为四氟板磨损、位移超限、涨圈、垫石或锚杆螺栓损坏、脱空等，其中四氟滑板过度摩擦失效及位移超限是主要病害。四氟板磨损病害如图 3 所示。日常管养中需检查滑移量绝对值、滑移量累计值、承载力、倾角、应变等指标9。1.1.3球形支座球形支座工作中上表面近似为刚性固定、下表面近似为球支撑固定、上下连接面近似为含摩擦的辊支撑固定，主要损坏与失效案例为四氟板磨损、倾角超限、垫石或锚杆螺栓损坏、脱空等，其中倾角超限病害如图 4所示。日常管养中需检查角位移量累计值、承载力、倾角等指标。1.2病害原因分析不同类型支座受工作原理、结构形式和使用材料等因素的影响，表现出的病害类型各异10。通过分析发现，其病害致因主要有以下四个方面：（1）支座产品原材料及加工组装质量不过关，特图 1板支基本脱空图 2板支半脱空图 3四氟板磨损图 4倾角超限 66跨湖特大桥智能型支座应用研究以南京石臼湖特大桥为例 徐衍亮 别是橡胶原材料稳定性差；（2）支座安装时，大梁底面不平整或预埋钢板变形偏位造成大梁安放后与支座顶面不服帖、有空隙，造成支座局部脱空；（3）支座安装时，初始剪切变形较大，造成后期剪切变形程度不断累积加大；（4）支座垫石不规范、不平整，吊装时支座定位不精确引起支座的偏位与剪切变形。2智能支座的研发与应用2.1项目概况G235 南京石臼湖特大桥全长 12640.7 m，桥面净宽 11.75 m，设计荷载为公路-级，下部结构为双柱式桥墩、桩基础，支座形式为板式橡胶支座和盆式支座，于 2015 年建成通车。2021 年 6 月在养护检查中发现部分板式橡胶支座存在如图 1 及图 2 所示的脱空、剪切变形及偏位等病害。为加强管养中的精准监测，养护单位与技术支持单位合作研发了智能板式支座（GYZ40084）产品，并在四个墩位进行了应用。智能板式支座通过对传统支座加工工艺进行改进（植入载荷传感芯片），配合硬件终端、研制物联网边缘计算技术，并开发云计算平台，编写多终端 App应用程序，三个板块集成形成了具备智能感知分析功能的支座，其系统框图如图 5 所示。该支座可通过云平台随时汇报自身工作情况和健康状态，并可记录超限数据并报警。通过智能化研发把传统桥梁支座的工作状态从“无知无觉”变成了“自感自知”，实现了自动检测-分析-预警功能。2.2功能特点智能板式支座具有滑移量监测、承载力测量、倾角监测、振动监测和温度监测等功能，对应的病害类型、检测方法、性能指标等如表 1 所示。此外，智能板式支座采用锂离子电池，正常待机三年，数据每天采集发送 8次，数据可远程传输并自动校准，并可接入专用 App以备查询。图 5智能板式支座系统框图表 1智能板式支座功能特点检测功能滑移量监测承载力测量倾角监测振动监测温度监测对应病害类型脱空偏压变形及脱空变形桥头频率稳定性及地震-检测方法非接触式激光位移传感器板式支座植入芯片传感器倾角传感器振动传感器温度传感器性能指标检测精度为 1 mm精度优于 1%（板式支座新功能）精度 0.01频率范围 0.0115 Hz及振动加速度分辨率优于0.1 mg-参数类型DXX向累计滑动位移（m）DYY向累计滑动位移（m）LS_XX向绝对位移（mm）LS_YY向绝对位移（mm）DZ1支座承载力（kN）AXX向倾角（）AYY向倾角（）XFX 向振动信息，3 个最强振动频率和幅度，格式：频率（幅度，无单位 16进制）YFY 向振动信息，3 个最强振动频率和幅度，格式：频率（幅度，无单位 16进制）ZFZ 向振动信息，3 个最强振动频率和幅度，格式：频率（幅度，无单位 16进制）T温度（）673数据分析3.1交通载荷监测（流量及超载）通过在传统支座的基础上安装内嵌压力传感器，实现智能支座的承载力（交通载荷）监测功能。提取南京石臼湖特大桥安装智能支座时及后续一段时间（2021 年 78 月）内的承载力测量数据如图6 所示，可以监测到安装时由于垫石高度误差导致了落梁偏载，使得支座初始承载力较高，在调整垫石后支座承载力下降 10%，达到正常水平。说明垫石初始高度过高将导致承载力过大，调整垫石高度后可使承载力处于一种均衡状态，因此智能支座的承载力监测功能同时也具有指导安装作用。进一步地，对监测结果进行放大，如图 7 所示，可清晰观测到支座承载力即桥梁交通载荷存在峰谷值，这是由于不同时段交通量的随机性所决定的。2021年 7月中下旬该桥梁交通载荷一直处于谷值状态，原因在于此时处于南京疫情封控期间，导致交通量始终较低，说明智能支座的承载力监测可以真实反映桥梁交通载荷状况。3.2支座滑动位移监测通过激光位移传感器实现石臼湖特大桥智能支座的位移监测功能，主要监测支座的滑动位移并进行脱空风险预警，其安装形式如图 8 所示。激光位移传感器固定在主梁底面，并在支座上安装铝反射板用于激光反射，测量支座相对于桥梁固定点之间的位移。提取 2022年 1月至 2022年 6月石臼湖特大桥的支座位移监测数据如图 9 所示，可见支座与激光位移传感器之间的距离随时间推移在 10001400 mm的范围内波动，将上述监测数据减去初始距离后可以得到最大位移变化约为 400 mm。考虑到支座的滑动位移是一种单向的累积位移，并不会反复波动，因此推测监测数据在一定范围内波动的主要原因是温度变化引起的桥体伸缩，因此在数据处理阶段需将测量结果减去初始距离和桥体伸缩量，才能最终得到较为准确的支座滑移量。3.3倾角监测通过倾角传感器实现石臼湖特大桥智能支座的倾角监测功能，其安装于支座上表面，可随支座运动并感知倾角。提取 2022年 1月至 2022年 6月的倾角监测数据如图 10 所示，可以发现倾角数据在短期内上下波动，这是由于交通载荷的大小变化引起了支座倾角的弹性变化。而在长期时间内，倾角监测数据具有一定的变化趋势，即 V 方向倾角随时间推移逐渐向V 的负方向稍有倾斜