混凝土斜拉橋養(yǎng)管技術的研究
2014-08-14
混凝土斜拉橋養(yǎng)管技術的研究
蔡鍵黃勇潘勇
（安徽省交通科研所）（銅陵長江大橋管理局）（肥西縣公路管理分局）
摘要：本文針對混凝土斜拉橋結構的具體特點，以我省銅陵長江大橋為主要研究對象，分析了有關設計、施工和監(jiān)理資料，以及從大橋施工以來至今的所有檢測數(shù)據(jù)，尋求出一套可以用于為斜拉橋梁營運期的養(yǎng)護、管理和對橋梁進行預測的方法。若有可能可根據(jù)這些理論實現(xiàn)計算機軟件的編程，以期達到預警、預測的目的。
關鍵詞：混凝土 斜拉橋 預警動態(tài)數(shù)據(jù)庫
一、前育
隨著我國公路交通網(wǎng)絡日趨發(fā)達，斜拉橋、懸索橋、T型剛構橋等現(xiàn)代化橋梁工程也越來越多。由于大型橋梁的造價不菲，而且多建于干線要道，充分發(fā)揮作用和延長使用壽命的愿望使人們開始加強這些橋梁舶維護工作，逐漸改變了以往那種“只修不管”、“重建輕養(yǎng)”的傳統(tǒng)觀念，對橋梁營運期間的管理日益重視起來。許多大型橋梁都成立了橋梁養(yǎng)護、管理的專門機構，組織有關的管理人員和專業(yè)技術力量從事橋梁的日常保養(yǎng)，并且收集了大量有關橋梁使用的寶貴資料。
許多現(xiàn)代化的橋梁經(jīng)過一段時間的實際使用，顯示出許多顯而易見的優(yōu)點，但也出現(xiàn)一些不曾想到的問題。特別是新型結構很有可能發(fā)生設計、施工投有預料或者無法預見的現(xiàn)象。如何發(fā)現(xiàn)其中的異常、尋找產(chǎn)生的原因和解決問題的方法，已成為橋梁養(yǎng)護、管理工作的重要內容。近年來經(jīng)過各界工作者的共同努力，許多新、大結構的設計、施工與營運期間的檢測、管理技術的配套得以發(fā)展，總結完善出一套適合結構特點的養(yǎng)管方法，為科學化養(yǎng)護系統(tǒng)的探索奠定了基礎。本文根據(jù)多年來對混凝土斜拉橋的管理工作總結出一些有關養(yǎng)護、管理的經(jīng)驗，希望這項工作能為混凝土斜拉橋結構壽命的延長、效益的進一步發(fā)揮提供技術上的保障。
二、斜拉橋營運狀態(tài)信息的收集
目前國內外已有不少鋼橋的監(jiān)控系統(tǒng)就進A了實用階段，但混凝土斜拉橋則不多見。圍繞水泥混凝土結構這方面的工作有以下問題需要解決。
1．混凝土結構尺寸一般比較大，如混凝土梁的斷面、梁高通常都遠大于同樣功能的鋼結構。相對而言需要了解的有關參數(shù)變化較弱，信號反映不靈敏。像力學參數(shù)中的應力、應變，撓度、位移均比鋼結構要小得多。這就對采集信號的儀器設備有更高一些要求，以保證采集的成功率。由于混凝土的信號微弱，難免會出現(xiàn)干擾因素過大，淹沒了有效信號。這時如何判斷采集信號是否真實是一個關鍵問題。特別是儀器自動采集大批數(shù)據(jù)后，必須進行自動判讀，以便舍取。目前儀器采集信號的自動判讀還投有統(tǒng)一的方法，也投有絕對準確的理論，這要根據(jù)采集信號的具體特點分別對待。
2．通過誤差分析提高原型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。原型觀測數(shù)據(jù)的誤差影響因素包括被測對象自身缺陷引起的誤差、測量原理及方法造成的誤差、測量裝置造成的誤差、人為誤差、環(huán)境誤差，以及誤差之間的相關關系分析和相關系數(shù)、隨機誤差合成、已定系統(tǒng)誤差的合成、未定系統(tǒng)誤差的合成、系統(tǒng)誤差與隨機誤差的合成、函數(shù)誤差等等。消除這些影響除了進行常規(guī)的誤差分析之外，還應做一些特殊處理。像溫度修正，把不同時期、不同季節(jié)下測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后成為同一溫度下的資料，這對于提高系統(tǒng)的使用效果能起到一定的作用。
3．選擇檢測的布控點的數(shù)量也很重要。測點多，收集的資料固然可信度高，但硬件投資大；檢測計算、分析工作量也大。反之由于混凝土和鋼材不一樣，屬于非均質的各向異性材料，在實橋檢測中每一個測點的數(shù)據(jù)不一定能完全代表其附近其他點的性能，測點也不能過少。確定檢測點的數(shù)量，應是檢測工作的一項重點。另外，系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)最好是同一時刻的，為避免同時采集許多測點的信號中出現(xiàn)個別點不成活而必須重做的現(xiàn)象，布置測點時應設法減少這種概率。收集的信息經(jīng)過初步處理后存人原始數(shù)據(jù)庫，可稱之為初始指紋庫，以供下一步運算使用。同時，也作為今后分析了解結構的檔案資料。
三、營運中的結構分析計算
原始數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的用途之一可作為營運期間的結構分析計算的資料。通常在橋梁設計和施工過程中都會進行各種模擬工況的結構計算分析。一般工程在使用過程中，只要沒有發(fā)生大的變故，結構的受力狀態(tài)是不會出現(xiàn)變化的。而對于斜拉橋而言，隨著使用年限的增加，可能會出現(xiàn)橋面標高下降、塔頂坐標偏離原來的位置、所有索的張拉力重新調整、混凝土的強度顯著降低等，這些因素都將會使結構的初始參數(shù)有較大程度的改變。如果使用這些新數(shù)據(jù)進行結構計算，可能會與原設計有一相當?shù)牟町?。因此，我們認為隨著斜拉橋的使用年限增長，應該對這種“不斷變化著的”結構進行分析，這樣才能看出全橋在營運過程中的變化規(guī)律，才有對橋梁進行預測的根據(jù)。
目前，大型橋梁結構的分析方法多是應用有限元法進行計算，方法簡單，結果精確。可以直接調用．自編軟件也不難。經(jīng)過計算分析后的結果作為系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，積累起來并找出變化規(guī)律和時間的關系，則是預測、報警的第一手材料。
四、動態(tài)連接庫的建立
所謂的動態(tài)連接庫是指一種功能模塊，它能將采集到的原始數(shù)據(jù)，也就是上面提到的初始指紋庫中的資料進行各種有關理論的處理、運算之后作為系統(tǒng)的主要評定數(shù)據(jù)，形成主數(shù)據(jù)庫。達到能把有關數(shù)據(jù)轉化為反映結構使用狀況，進行橋梁預測、預警之目的。這部分應是養(yǎng)護管理的核心，將直接關系到分析結論是否合理。從現(xiàn)在科學發(fā)展的水平來看，理論分析已較完善，如通過模態(tài)分析、參數(shù)識別、可靠性分析、概率統(tǒng)計或者應用模糊數(shù)學、灰箱理論中的方法者能在不同程度、不同方面得出一定的效果。但若要完全解決實際工程問題似乎還有相當?shù)木嚯x。本文在此就已有的嘗試，介紹一些經(jīng)驗之談。
1．通過對斜拉橋混凝土主梁振型的測試，了解主梁宏觀損傷變化。根據(jù)理論分析，結構的振型、頻率等參數(shù)與結構的剛度、質量有關，一旦振型、頻率發(fā)生變化勢必存在著剛度、質量的下降，從而提醒人們注意結構的安全。
2．通過對橋面車輛的統(tǒng)計，并將車載轉換為作用在混凝土主粱上的疲勞荷載，分析主梁的疲勞壽命。
3．通過對主塔塔頂位置的觀測，了解混凝土主塔坐標隨時間、溫度、風速等環(huán)境影響的變化情況，轉化為塔的疲勞荷載，分析的疲勞壽命。
4．通過對斜索附近風的測量，了解索的振動，將風能轉化為索端混凝土錨固區(qū)的疲勞荷載，分析索錨混凝土的疲勞壽命。
5．通過了解結構關鍵部位混凝土裂紋變化，并應用材料損傷理論分析局部區(qū)域材料的使用極限。
除以上內容外還有許多類似的方法，目的都是設法給出構件宏觀質量的下降規(guī)律，提供全橋預警、預測的基本參數(shù)。我們利用銅陵長江大橋的資料，編翩出軟件對結構的工作狀態(tài)進行觀測，取得了一定的效果，能看出這一工作的應用前景。但也有不足，還有待進一步的深入研究。
五、全橋的預測、報蕾
全橋預測、報警是通過橋梁的各部位、各構件的預測、報警結果進行綜合評定，因此評定結果的準確與否取決于局部分析的精度。另外，評定方法也起到重要作用，有可能會因為評定方法不同而導致同一資料給出不同結論，甚至大相徑庭。應當說每一種方法都有一套完善的理論，但也有其使用范圍以及局限性。在具體橋梁結構上更適合應用哪一種方法，不僅是書本、理論上的探討，還有待于在實踐中加以證明。這里介紹兩種我們選擇的方法。最短壽命法是取所有各構件的局部壽命中最短的壽命作為全橋的報警值。這個方法最簡單，只要把壽命數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)進行排序，取出最小值，一旦超出報警線即可報警。顯然這個結果偏于保守，因為個別構件的好與壞通常不能決定全橋的命運。不過這種結論仍有積極的意義，可以提醒有關人員盡早發(fā)現(xiàn)結椅的損傷，予以及時維修。
權值法是以上方法的改進，考慮到構件在全橋的部位不同，起的作用有差異，而給予不同的權值。這個方法是認為重要構件一旦發(fā)生損傷，要立即報警。想法是正確的，但操作則有一定難度?，F(xiàn)實意義的重要構件應該是哪些，它們的權值又該取多少，目前還無法確定。我們試圖應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡，對斜拉橋進行綜合評定。選擇一些認為比較合理的預測資料進行訓練，決定權值。只要訓練樣本足夠多，則能進行仿真預測與報警。
還有一種方法，我們稱之為最悲觀理論。這是考慮構件與構件之間，特別是受損構件之間的相互影響而做的一種預測。它基于這種想法：例如兩個構件分開使用的壽命都是一年，可是
當它們處于結構中相鄰的部位時，由于作用力的分布不均而使它們會在不到一年的時間內都損壞了。這是交集合的概念。目前我們覺得這種方法應該說是真正意義上的綜合評定。
六、結束語
以上所述內容從理論上說都可以實現(xiàn)，但工作量之大則是驚人的，如果不應用計算機顯然不可能進行．因此形成軟件將是一項重要的工作。特別是預測方法應該是越多越好，綜合考慮不同環(huán)境、不同場合、不同影響因素等條件下可能發(fā)生的問題，以保證預測、監(jiān)測的可靠。如果針對某一結構．采用各種方法進行的結論有殊途同歸之效果，那么這種系統(tǒng)也就差強人意了。
另外，在實踐中還有可能會出現(xiàn)一些意料之外的問題，有待解決。因此說關于斜拉橋營運期間的養(yǎng)護、管理、預警、維修將是一項長期而又繁重的工作。
參考文獻：
1．王文濤
2．林元培
3．用念先
4．劉效堯
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