混凝土斜拉桥养管技术的研究
2014-08-14
混凝土斜拉桥养管技术的研究
蔡键黄勇潘勇
（安徽省交通科研所）（铜陵长江大桥管理局）（肥西县公路管理分局）
摘要：本文针对混凝土斜拉桥结构的具体特点，以我省铜陵长江大桥为主要研究对象，分析了有关设计、施工和监理资料，以及从大桥施工以来至今的所有检测数据，寻求出一套可以用于为斜拉桥梁营运期的养护、管理和对桥梁进行预测的方法。若有可能可根据这些理论实现计算机软件的编程，以期达到预警、预测的目的。
关键词：混凝土 斜拉桥 预警动态数据库
一、前育
随着我国公路交通网络日趋发达，斜拉桥、悬索桥、T型刚构桥等现代化桥梁工程也越来越多。由于大型桥梁的造价不菲，而且多建于干线要道，充分发挥作用和延长使用寿命的愿望使人们开始加强这些桥梁舶维护工作，逐渐改变了以往那种“只修不管”、“重建轻养”的传统观念，对桥梁营运期间的管理日益重视起来。许多大型桥梁都成立了桥梁养护、管理的专门机构，组织有关的管理人员和专业技术力量从事桥梁的日常保养，并且收集了大量有关桥梁使用的宝贵资料。
许多现代化的桥梁经过一段时间的实际使用，显示出许多显而易见的优点，但也出现一些不曾想到的问题。特别是新型结构很有可能发生设计、施工投有预料或者无法预见的现象。如何发现其中的异常、寻找产生的原因和解决问题的方法，已成为桥梁养护、管理工作的重要内容。近年来经过各界工作者的共同努力，许多新、大结构的设计、施工与营运期间的检测、管理技术的配套得以发展，总结完善出一套适合结构特点的养管方法，为科学化养护系统的探索奠定了基础。本文根据多年来对混凝土斜拉桥的管理工作总结出一些有关养护、管理的经验，希望这项工作能为混凝土斜拉桥结构寿命的延长、效益的进一步发挥提供技术上的保障。
二、斜拉桥营运状态信息的收集
目前国内外已有不少钢桥的监控系统就进A了实用阶段，但混凝土斜拉桥则不多见。围绕水泥混凝土结构这方面的工作有以下问题需要解决。
1．混凝土结构尺寸一般比较大，如混凝土梁的断面、梁高通常都远大于同样功能的钢结构。相对而言需要了解的有关参数变化较弱，信号反映不灵敏。像力学参数中的应力、应变，挠度、位移均比钢结构要小得多。这就对采集信号的仪器设备有更高一些要求，以保证采集的成功率。由于混凝土的信号微弱，难免会出现干扰因素过大，淹没了有效信号。这时如何判断采集信号是否真实是一个关键问题。特别是仪器自动采集大批数据后，必须进行自动判读，以便舍取。目前仪器采集信号的自动判读还投有统一的方法，也投有绝对准确的理论，这要根据采集信号的具体特点分别对待。
2．通过误差分析提高原型数据采集系统的可靠性。原型观测数据的误差影响因素包括被测对象自身缺陷引起的误差、测量原理及方法造成的误差、测量装置造成的误差、人为误差、环境误差，以及误差之间的相关关系分析和相关系数、随机误差合成、已定系统误差的合成、未定系统误差的合成、系统误差与随机误差的合成、函数误差等等。消除这些影响除了进行常规的误差分析之外，还应做一些特殊处理。像温度修正，把不同时期、不同季节下测到的数据，经处理后成为同一温度下的资料，这对于提高系统的使用效果能起到一定的作用。
3．选择检测的布控点的数量也很重要。测点多，收集的资料固然可信度高，但硬件投资大；检测计算、分析工作量也大。反之由于混凝土和钢材不一样，属于非均质的各向异性材料，在实桥检测中每一个测点的数据不一定能完全代表其附近其他点的性能，测点也不能过少。确定检测点的数量，应是检测工作的一项重点。另外，系统收集的数据最好是同一时刻的，为避免同时采集许多测点的信号中出现个别点不成活而必须重做的现象，布置测点时应设法减少这种概率。收集的信息经过初步处理后存人原始数据库，可称之为初始指纹库，以供下一步运算使用。同时，也作为今后分析了解结构的档案资料。
三、营运中的结构分析计算
原始数据库中数据的用途之一可作为营运期间的结构分析计算的资料。通常在桥梁设计和施工过程中都会进行各种模拟工况的结构计算分析。一般工程在使用过程中，只要没有发生大的变故，结构的受力状态是不会出现变化的。而对于斜拉桥而言，随着使用年限的增加，可能会出现桥面标高下降、塔顶坐标偏离原来的位置、所有索的张拉力重新调整、混凝土的强度显著降低等，这些因素都将会使结构的初始参数有较大程度的改变。如果使用这些新数据进行结构计算，可能会与原设计有一相当的差异。因此，我们认为随着斜拉桥的使用年限增长，应该对这种“不断变化着的”结构进行分析，这样才能看出全桥在营运过程中的变化规律，才有对桥梁进行预测的根据。
目前，大型桥梁结构的分析方法多是应用有限元法进行计算，方法简单，结果精确。可以直接调用．自编软件也不难。经过计算分析后的结果作为系统的主数据库，积累起来并找出变化规律和时间的关系，则是预测、报警的第一手材料。
四、动态连接库的建立
所谓的动态连接库是指一种功能模块，它能将采集到的原始数据，也就是上面提到的初始指纹库中的资料进行各种有关理论的处理、运算之后作为系统的主要评定数据，形成主数据库。达到能把有关数据转化为反映结构使用状况，进行桥梁预测、预警之目的。这部分应是养护管理的核心，将直接关系到分析结论是否合理。从现在科学发展的水平来看，理论分析已较完善，如通过模态分析、参数识别、可靠性分析、概率统计或者应用模糊数学、灰箱理论中的方法者能在不同程度、不同方面得出一定的效果。但若要完全解决实际工程问题似乎还有相当的距离。本文在此就已有的尝试，介绍一些经验之谈。
1．通过对斜拉桥混凝土主梁振型的测试，了解主梁宏观损伤变化。根据理论分析，结构的振型、频率等参数与结构的刚度、质量有关，一旦振型、频率发生变化势必存在着刚度、质量的下降，从而提醒人们注意结构的安全。
2．通过对桥面车辆的统计，并将车载转换为作用在混凝土主粱上的疲劳荷载，分析主梁的疲劳寿命。
3．通过对主塔塔顶位置的观测，了解混凝土主塔坐标随时间、温度、风速等环境影响的变化情况，转化为塔的疲劳荷载，分析的疲劳寿命。
4．通过对斜索附近风的测量，了解索的振动，将风能转化为索端混凝土锚固区的疲劳荷载，分析索锚混凝土的疲劳寿命。
5．通过了解结构关键部位混凝土裂纹变化，并应用材料损伤理论分析局部区域材料的使用极限。
除以上内容外还有许多类似的方法，目的都是设法给出构件宏观质量的下降规律，提供全桥预警、预测的基本参数。我们利用铜陵长江大桥的资料，编翩出软件对结构的工作状态进行观测，取得了一定的效果，能看出这一工作的应用前景。但也有不足，还有待进一步的深入研究。
五、全桥的预测、报蕾
全桥预测、报警是通过桥梁的各部位、各构件的预测、报警结果进行综合评定，因此评定结果的准确与否取决于局部分析的精度。另外，评定方法也起到重要作用，有可能会因为评定方法不同而导致同一资料给出不同结论，甚至大相径庭。应当说每一种方法都有一套完善的理论，但也有其使用范围以及局限性。在具体桥梁结构上更适合应用哪一种方法，不仅是书本、理论上的探讨，还有待于在实践中加以证明。这里介绍两种我们选择的方法。最短寿命法是取所有各构件的局部寿命中最短的寿命作为全桥的报警值。这个方法最简单，只要把寿命数据库中的所有数据进行排序，取出最小值，一旦超出报警线即可报警。显然这个结果偏于保守，因为个别构件的好与坏通常不能决定全桥的命运。不过这种结论仍有积极的意义，可以提醒有关人员尽早发现结椅的损伤，予以及时维修。
权值法是以上方法的改进，考虑到构件在全桥的部位不同，起的作用有差异，而给予不同的权值。这个方法是认为重要构件一旦发生损伤，要立即报警。想法是正确的，但操作则有一定难度。现实意义的重要构件应该是哪些，它们的权值又该取多少，目前还无法确定。我们试图应用人工神经网络，对斜拉桥进行综合评定。选择一些认为比较合理的预测资料进行训练，决定权值。只要训练样本足够多，则能进行仿真预测与报警。
还有一种方法，我们称之为最悲观理论。这是考虑构件与构件之间，特别是受损构件之间的相互影响而做的一种预测。它基于这种想法：例如两个构件分开使用的寿命都是一年，可是
当它们处于结构中相邻的部位时，由于作用力的分布不均而使它们会在不到一年的时间内都损坏了。这是交集合的概念。目前我们觉得这种方法应该说是真正意义上的综合评定。
六、结束语
以上所述内容从理论上说都可以实现，但工作量之大则是惊人的，如果不应用计算机显然不可能进行．因此形成软件将是一项重要的工作。特别是预测方法应该是越多越好，综合考虑不同环境、不同场合、不同影响因素等条件下可能发生的问题，以保证预测、监测的可靠。如果针对某一结构．采用各种方法进行的结论有殊途同归之效果，那么这种系统也就差强人意了。
另外，在实践中还有可能会出现一些意料之外的问题，有待解决。因此说关于斜拉桥营运期间的养护、管理、预警、维修将是一项长期而又繁重的工作。
参考文献：
1．王文涛
2．林元培
3．用念先
4．刘效尧
斜拉桥换索工程[M]．北京：人民交通出版社，1996
斜拉桥[M]．北京：人民交通出版社，1995．
橱共树，预应力混凝土斜张桥（M】．北京：人民变通出版社，1989
