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对一座拱桥在修复过程中的监测

马修·亚诺达

美国田纳西州技术大学

摘要：

在进行大量的修复工作后，桥梁结构发生构件或连接损坏甚至整体倒塌的风险通常大于正常工作条件和危险情况，这对可移动结构来说尤其明显。目前，在施工过程中进行目视检查是桥梁业主确保结构正常运行的最常见来源。像可移动桥梁这样的复杂结构因为风险较高可能视觉检查之外的额外监督更有益处。对关键要素进行结构性健康监测有助于减少这些风险。本文介绍了一座正在修复中的双叶滚动提升式拱桥的第一次监测工作的案例研究。在开放的船舶通航跨度中,460mu;ɛ的应变位移(92 MPa或13.3ksi)转变在桁架下弦杆应变响应测量。为了找出这种行为的根本原因，我们进行了详细的调查，包括实地研究、访谈和模型-实验相关性研究。得出的结论是，在完成部分修理时发生了连接滑移。幸运的是，在这个拱跨上使用的结构体系包括一个允许重新分配力的部分冗余桁架。在这个场景中，监控的主要影响是承包商允许对施工顺序的更改。这项调查表明了仪器监测与传统的视觉评估方法相结合的潜在好处，特别是在建造和改造一座可移动的拱桥时。

关键词：桥梁；监测；鉴定；施工；结构；现场试验；可移动性；有限元法；

1介绍

美国的基础设施状况是一个不断讨论的话题。国家的大多数桥梁已经达到或超过了预期的设计寿命，这些结构的替换可能会受到历史、社会、环境和经济驱动因素[1]的阻碍。这一问题在可移动跨度桥梁中更为普遍。截至2012年，美国公路中大约有900座可移动桥梁，其中27%被指定为结构缺陷[2]。这些结构的平均年龄超过60年。此外，美国铁路中大约有1300座可移动桥梁。复杂的是可移动型跨度桥往往位于人口密集地区，车辆和船舶的交通量很大。多年来，商业和住宅区可能是围绕着这些跨度桥梁发展起来的。这些建筑在社区的结构和局部的地平线中根深蒂固，成为当地建筑体系的一部分。用一种新的结构形式取代它们来满足可移动跨度的要求，但是改变这种结构可能会遇到很大阻力，即使这将缓解拥堵并带来大量的通行费收入。同时还会引发通行权问题、所有权分歧、管理权和收费收入分配等问题。在这些情况下，无限期地保留或维持现状往往是最可接受的妥协方案。

无限期的保留桥梁相对传统的固定桥梁管理需要更多的积极维护和改造方法。例如，NYCDOT对其25个可移动结构实施了积极的保护和维护计划[3]。这包括为许多可移动桥梁的修复和建造提供大量财政资源。通常情况下，尽可能广泛地对单个部件或跨度进行翻新和修理。这类建筑的一个常见限制是，跨度必须始终保持可操作，包括车辆和船舶交通。改造的成功与否不仅取决于桥梁结构的完整性，还取决于对游客的影响程度。这种对可移动或固定跨度的干预同样需要在设计、施工阶段和执行方面的创新。随之而来的是相应增加的风险水平。减轻这种风险的一个工具是结构健康监测(SHM)，它是通过测量数据和分析模拟来识别和跟踪定量性能指标的实践。

2基于风险决策的SHM论证

实施SHM系统的决策过程需要一个智能基础，例如基于风险的方法。风险明确包括桥梁所受的危害，结构对于该危害的脆弱性，以及如果桥梁发生故障将导致的后果[4]。不确定性溢价也包括在内，以解释我们无法精确量化与风险相关的脆弱性。虽然由于危险的发生率稳定，有些危险可以可靠地量化，但给定危险的失败概率依赖于数值分析，并受到假设的限制。

如果给定的风险水平较高，并且通过降低不确定性溢价，证明监控系统能够充分降低风险，则系统的实现是合理的。由于在施工的不同阶段存在新的危险(施工荷载、临时构筑物等)和较高的易损性(拆除构件/连接件)，可移动桥梁的修复为结构增加了高风险性。由于潜在的寿命缩短，桥梁关闭对用户的影响以及船舶交通中断对经济的影响程度较高。此外，在每个施工阶段存在的不确定性会增加因为有大量的承包商和施工方法可以利用。

一个合适的目标监测系统可以通过直接降低不确定性溢价来降低与移动桥梁修复项目相关的风险水平。到目前为止，许多桥梁的主要修复项目中都包括施工监测[5-8]。SHM系统虽然仍具有局限性但已在可移动跨度上实现[9-11]。然而，本文所提供的案例研究被认为是第一次对正在施工的滚动提升式拱桥进行详细的监测工作。

3拱桥的SHM系统

在一座79米(260英尺)的双叶滚动提升式拱桥上进行了施工监测工作，该桥已经服役80多年。结构的逐渐腐蚀和恶化需要进行大规模的修复工程。这包括桁架构件和连接的维修，钢格栅甲板的更换和支撑纵梁以及上层建筑的油漆。总体而言，该结构有两个主要功能。一是安全运送车辆过河(服务条件)。二是定期开通，允许船舶通行(运行状态)。所得到的结构系统在服务和操作时具有不同的负载路径。结构体系的主要组成如图1所示。

在运送车辆过河的过程中，桥梁承载来自钢网甲板的车辆活荷载，并将力分配给支撑纵梁。这些纵梁支承在横向地板梁上，横向地板梁承载着纵梁到纵梁的活荷载。此时，加载路径变得部分冗余。在每一边的道路都利用桁架是一种独特的设计。外桁架(桁架B)提供了跨的连续性，通过拱起作用将活荷载传递给子结构(图2)。然而，与该桁架平行的是一个部分长度的内桁架(桁架a)，专门在运送车辆时承载结构的自重。为了向海上交通开放桥梁，每片叶子上都有一个机械系统。这个跨度是通过松开刹车来打开的，在这个时候，一个电机驱动一系列的齿轮来转动两个主要的小齿轮。这些小齿轮沿着一对固定的机架运行(图3a)，对支撑节段梁上方的结构施加水平力(图3b)。然后跨度从航运通道滚回固定轨道，旋转和转化提供最大的开放间隙。分段梁与桁架A直接连接，桁架A在开口时承担跨的重量。

3.1 检测方法

拱桥施工监测分为两个阶段。首先，通过数值建模、仪器和数据处理、解释如何建立基线，这为有针对性的施工监测的第二阶段提供了依据。

3.1.1 基线评价

基线评估始于对所有现有文件(竣工图、修复计划、检查报告等)的视觉评估和审查。从跨度桥梁的建设到建成有许多已经变化的结构。这一信息被用于开发一个有限元(FE)模型，以深入了解在不同的结构和不同的加载场景下的受力分布。利用SAP2000软件建立了全跨度梁壳单元三维模型(图4a)。此外，子模型用于桁架系统单叶部分的开发(图4b)，其中材料性能是由现有施工图得到的。对不同开孔角度的活载和死载工况及死载工况下的有限元模型进行了分析。该分析有助于更好地理解结构变化，并有助于设计实验和仪器开发，该计划后来用于验证实测观测结果。

实验和仪器设计是评价过程中的关键步骤。由于考虑到理想的输入-输出关系(结构方向与构件力的变化关系)，采用开口进行试验，得到了比较理想的拱跨计算方法。这可以通过测量开口角和构件应变来得到。此外，本征力的变化是实质性的，它允许明显的信噪比。该方法优于传统的卡车负荷测试，因为可以避免交通堵塞和测试车辆损耗。基于振动的测试(环境或强迫冲击/激励)也有被考虑，但没有选择，因为结构的复杂性，不可避免地违反固有的振动测试假设(线性，平稳性等)，和更高的成本(传感器，设备，和数据存储)。

仪器的设计主要集中在主承重构件上。其目的是将力的重新分布描述为开孔过程中跨度方向的变化。然而，来自周围交通的车辆活载分布也是一个优先考虑的问题。我们决定尽量减少安装传感器的数量，因为修复工作包括爆破清理和油漆涂刷可能在施工结束时破坏传感器的结构。在选定的位置用电阻应变计测量桁架构件，这包括桁架A下弦上的两个量具和靠近支座B下弦上的两个量具(每个叶片的上下侧共16个量具)。在每个叶片的叶尖(上下侧共4个应变计)附近的桁架B上弦上也安装了应变计。此外，每个叶片上都安装了倾斜传感器，用于测量开口角度。图5图形化地说明了沿着每个叶子的插装计划。

所有的传感器都由一个国家仪器公司(cRIO)的数据采集系统(每个叶片上一个)控制。使用LabView软件开发了一个自定义数据采集程序，该软件支持手动和阈值触发器。使用手动触发器测量多个开口和实时交通响应子集。对数据进行处理和分析，直接数据解释包括整个开孔和典型活荷载作用下的力分布大小。例如桁架下弦再在开放时经历大约250mu;ɛ压缩释放和典型的卡车装载时大约30mu;ɛ压缩。图6给出了一个典型的桁架a下弦实测响应的例子。每个开口都有六个不同的阶段。下面简要描述每个阶段。

A阶段:该桥禁止通行，跨径仍处于连续状态。

B阶段:松开刹车(去除顶部的预紧力)，慢慢地将每一片叶子分开旋转，打破连续性，从拱形动作过渡到悬臂状态(图2)。这对下弦桁架施加了额外的压缩力。

C阶段:叶片旋转50度后停止。这是机械系统内置的安全机制。注意下弦处有大量的压缩应变释放。

D阶段:叶片处于完全打开的位置，大约70度。

E阶段:叶片降低到接近水平位置;然而，叶子之间并没有完全结合在一起。

F阶段:叶片一起驱动，刹车锁定(预加载每个叶片)。注意，在顶端不存在跨锁。

从研究第一阶段获得的信息可用于筛选和改进FE模型，更新需求与容量比，以及未来的场景分析(讨论如下)。

3.1.2 施工监测

第二阶段是在整个施工过程中监测跨度桥梁。其目的是跟踪关键构件的受力情况，以确定对跨度整体结构完整有无任何重大变化。没有特定的施工工况，因为在一个主要的修复项目中有无限的可能性。决定早期基线评估(第1阶段)使用的核心仪器对该阶段来说是足够的。增加的主要传感器是位于东北塔顶部的一个气象站和四个网络IP摄像头(AXIS 221昼/夜)，它们是在建设过程中安装的。这包括为图像和数据的可视化设计图形界面。更多信息请参考Glisic[12]和Yarnold[13]。

在整个构建过程中应用了事件驱动的监视方法。记录了两类事件。第一类是由倾斜传感器触发的微小开口(5度变化)。开放行为是允许持续评估的结构的特征。第二类事件是活负荷过大或异常超过最小/最大阈值。一个阈值被设定为plusmn;60mu;ɛ货车荷载响应的在规定中是不能被捕获的,然而虽然相对较低,但仍足以捕获所需的事件。来自这些工况的数据由工程师手动检查，以验证结构的变化行为。通过将触发事件与之前的测量数据进行比较，并检查结构的恢复情况(确保弹性变形)。先前确定的需求与产能比率也被用来作为一种手段，以确保没有发生的过度压力。请注意，所有这类触发事件都显示出足够的恢复，并且远低于任何成员的过度压力。因此，它们并不被认为对结构有害。

3.2 实测应力重分布

从6月22日到6月29日，4个开口处记录的数据表明了典型的信号行为。图7显示了桁架对每个开口的上游(西叶)测量值。峰值应变的微小变化是由于开孔角度的不同造成的。注意，由于操作员在开孔顺序的F阶段施加的预紧力的手动不精确性，应变测量不能完全恢复。

6月30日，在结束之前的修整(E)阶段发生了一个重大的行为改变。在上游桁架(西叶)应变式记录到235mu;ɛ(47 MPa或6.8 ksi)转变相当于3200 kN(720kips) (图8)。值得注意的是在阶段E中桁架下弦杆存在大量压缩。因此，应变的正位移表明压缩被释放。同时记录的还有上游桁架B(西叶)应变片测量值的位移。460年mu;ɛ(92 MPa或13.3 ksi)转变相当于2490 kN(560kips)观察(图9)。这一转变发生在桁架A的相反方向(负应变转变)。因此，桁架B吸收了额外的压缩力。在观察到这种反应后，研究小组将诊断这种情况作为首要任务。

由于上游桁架A和桁架B下弦截面(西叶)的两个独立应变计测量的响应几乎相同，因此排除了数据质量问题。下游桁架A和桁架B构件(西叶)的实测结果与典型响应基本一致。这种上下游桁架对之间的不耦合行为与早期实测的活载数据一致。

3.3 诊断

访谈和目视检查的目的是确定结构系统的任何变化，将导致桁架a和桁架B在西叶上游一侧的行为发生显著变化。由于所测事件的性质，连接和支撑是主要关注点。然而，构件也考虑潜在的断裂或屈曲。驻厂工程师指出，在几个地方，铆钉已打孔(拆除)，并用螺栓替换。这通常是为钢的维修做准备，以便更快地安装。然而，如果螺栓没有足够紧固，连接就有可能发生滑动。请注意，没有观察到任何构件或联系显现出任何明显的受损迹象。

目视检查完成后，沿桁架A确定四个主要位置为连接滑移和力重分布的潜在原因(图10)。这些位置是由目前正在进行的钢铁维修而选定的。此外，这些位置是在原始的现场剪接位置，导致潜在的相对运动或滑移。由于桁架B吸收了额外的力而不是释放了额外的力，因此对桁架B进行检查的条件比可能引起力重新分布的原因更多。

应该指出的是，正在进行的其他施工活动可能影响(或激活)内在应力的变化。网格甲板和纵梁最近被替换在上游的跨度。这是测得的应变位移的同一边。此外，在测试前一周进行了配重调整。

3.3.2 数值模拟资料编号：[3845]