獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆加固與智慧化運(yùn)維技術(shù)研究

韓 鵬，李 攀，王大海

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.中鐵城際規(guī)劃建設(shè)有限公司，北京市 102600）

1 獨(dú)柱墩橋梁工作特性與風(fēng)險(xiǎn)分析

自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)大型城市立交、高速的匝道橋梁較多采用獨(dú)柱現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式，該種橋梁的下部結(jié)構(gòu)形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優(yōu)點(diǎn)。但近年來(lái)，由于重載車輛長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致橋梁累積性超荷，獨(dú)柱墩支座累積損傷、脫空、滑移導(dǎo)致獨(dú)柱墩橋梁傾覆事件屢次發(fā)生。

獨(dú)柱墩匝道橋梁的總體受力特征有以下幾點(diǎn)：

（1）梁體在承受極端荷載（列如大量重車偏載行駛）時(shí)，橋梁連接墩或橋臺(tái)雙支座位置的不利支座可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力、支座脫空現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致梁體傾斜和內(nèi)力重分布，相鄰獨(dú)柱墩支座受剪壓及梁體破壞的可能性加大，同時(shí)大大增加梁體整體滑移、傾覆、失穩(wěn)的可能。

（2）獨(dú)柱墩本身是一種偏心受壓構(gòu)件，如果墩柱的長(zhǎng)細(xì)比較大，再加上較大的偏心荷載作用，墩柱將存在偏壓破壞的可能性。另外橫向約束梁體的墩柱受梁體反作用力有可能造成其底部的壓彎破壞。

（3）上部梁體橫向整體剛性傾斜或者傾覆落梁。

（4）偏心超載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體將承受很大的扭矩作用，且這種扭矩累積作用會(huì)隨著橋梁跨徑的增大和獨(dú)柱墩數(shù)量的增多變得越來(lái)越大一旦出現(xiàn)梁體抗扭不足，橋梁很容易發(fā)生剪扭破壞。

橋梁移位是獨(dú)柱墩匝道橋梁病害的一種，是獨(dú)柱墩匝道橋破壞的初步表現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，引起獨(dú)柱墩匝道橋梁移位的主要原因有以下幾個(gè)方面：

第一，由于橋梁運(yùn)營(yíng)期間的外力引起的橋梁位移，例如梁體承受極端荷載（列如大量重車偏載行駛）、汽車制動(dòng)力、離心力等引起的梁體位移會(huì)直接導(dǎo)致橋梁限位裝置的破壞、梁體擋塊的破壞及梁體移位；

第二，由于橋梁運(yùn)營(yíng)期間的溫度應(yīng)力引起的橋梁位移；

第三，由于自然力或偶發(fā)事故引起的橋梁位移，例如洪水、地震、車船撞擊或其它突發(fā)原因等引起的橋梁限位裝置破壞、梁體擋塊破壞及梁體移位；

第四，原設(shè)計(jì)滑板支座或盆式支座缺少限位裝置等設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)引起的梁體移位。

2 獨(dú)柱墩橋梁模塊化加固技術(shù)

采用模塊化鋼蓋梁加可調(diào)高度雙支座實(shí)現(xiàn)獨(dú)柱墩輔助支撐，加強(qiáng)防側(cè)滑、抗傾覆安全度，見(jiàn)圖1。增設(shè)支座的原則是：現(xiàn)有支座仍起主要承載作用，新增設(shè)的左右雙支座起到“保險(xiǎn)”作用，恒載作用下通過(guò)初壓力確保與結(jié)構(gòu)貼合，活載作用下受力，提高橋梁的抗傾覆能力。

主要施工步驟如下：

（1）工廠預(yù)制鋼抱箍及鋼牛腿，運(yùn)至工程現(xiàn)場(chǎng)；

（2）利用橋墩承臺(tái)作為工作面，在橋墩底部進(jìn)行拼裝。初擰鋼抱箍的對(duì)拉高強(qiáng)螺栓，兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體；

圖1 獨(dú)柱墩橋梁加固模塊示意圖

（3）利用提升設(shè)備將整體鋼結(jié)構(gòu)提升至墩柱頂部；

（4）根據(jù)鋼抱箍預(yù)留孔位種植錨栓，應(yīng)事先探明墩柱的主筋位置，植筋孔避開(kāi)主筋位置；

（5）擰緊抱箍處對(duì)拉高強(qiáng)螺栓(終擰)，其值應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》要求，再擰緊錨固螺栓。通過(guò)注結(jié)構(gòu)膠來(lái)填補(bǔ)鋼抱箍和混凝土立柱之間縫隙，使兩者密貼，以提供強(qiáng)大的抱箍力及粘接力；

（6）增設(shè)兩側(cè)板式橡膠支座，在新增支座對(duì)應(yīng)的梁底通過(guò)植筋方式設(shè)置上支座楔形鋼板，鋼板底面和支座頂面應(yīng)保持水平，上支座楔形鋼板和梁底之間空隙用粘鋼膠進(jìn)行粘結(jié)。原有支座仍起主要承載作用，新增設(shè)的左右雙支座起到“保險(xiǎn)”作用，恒載作用下通過(guò)初壓力確保與梁底貼合，活載作用下受力；

（7）鋼蓋梁的頂部設(shè)置支座下墊石，其高度根據(jù)新增支座厚度和梁下空間靈活控制，墊石頂部預(yù)埋鋼板。支座下部設(shè)楔形鋼板，通過(guò)敲擊方式使支座安裝緊密，要求新安裝支座與梁體底板接觸密實(shí)，自重作用確保能承擔(dān)一定的初壓力。支座安裝密實(shí)后將楔形鋼板之間焊接，楔形鋼板整體再與下支座墊石頂部的預(yù)埋鋼板焊接，并采用角鋼對(duì)楔形鋼板和支座進(jìn)行限位。

該模塊化方案特點(diǎn)在于：

第一，通過(guò)鋼板圈抱箍力與部分植入錨筋將墩柱與鋼蓋梁連接為一體。

第二，通過(guò)抱箍力實(shí)現(xiàn)鋼蓋梁與柱連接造型簡(jiǎn)潔、自重輕、蓋梁開(kāi)口施工焊接及后期養(yǎng)護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)易推廣。

第三，增設(shè)鋼蓋梁加固施工快、周期短，對(duì)橋面交通影響較小。

獨(dú)柱墩橋梁模塊化加固現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2 獨(dú)柱墩橋梁模塊化加固現(xiàn)場(chǎng)圖

3 物聯(lián)網(wǎng)智慧化運(yùn)維技術(shù)

3.1 政策背景

在“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略背景下，國(guó)家加快推進(jìn)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，推動(dòng)交通智能化發(fā)展，2016年7月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，要求加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行管理、公共服務(wù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息化水平，分級(jí)分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)。加快電力、民航、鐵路、公路、水路、水利等公共基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化和智能化改造。同月，國(guó)家發(fā)改委、交通運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布了《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》（發(fā)改基礎(chǔ)[2016]1681號(hào)），要求建設(shè)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施先進(jìn)感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本狀態(tài)的信息采集，推動(dòng)國(guó)家公路網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的監(jiān)測(cè)、管理和服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建。

2017年5月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，要求提升市政基礎(chǔ)設(shè)施智慧化水平和綠色發(fā)展水平，推進(jìn)智慧城市建設(shè)，提高城市安全運(yùn)行管理水平。開(kāi)展市政基礎(chǔ)設(shè)施信息化、智慧化建設(shè)與改造，建立全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，依托已有基礎(chǔ)建設(shè)完善全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管平臺(tái)。

3.2 橋梁安全運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

以橋梁安全運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)為代表的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧道橋系統(tǒng)，是一種以新型技術(shù)為載體的智慧型服務(wù)。通過(guò)傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算等技術(shù)手段，將道路、橋梁及其附屬市政基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)普遍覆蓋的智慧化提升，以數(shù)據(jù)層面的集約化管理向城市生活提供智慧化服務(wù)。該系統(tǒng)用技術(shù)手段使傳統(tǒng)“純承載”方式的市政設(shè)施變得有感知、有思維，用數(shù)據(jù)層面的共享和溝通實(shí)現(xiàn)道路、橋梁和城市服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的融會(huì)貫通。

橋梁安全運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體構(gòu)架為[1]：以確保橋梁結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全為核心目標(biāo)，在橋梁關(guān)鍵部位，針對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)24 h不間斷、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)管；同時(shí)，以巡檢機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等智能手段實(shí)現(xiàn)橋梁巡檢工作的智慧化提升，解決可達(dá)性、安全性和人力成本等方面的瓶頸問(wèn)題，使得巡檢頻度和質(zhì)量得到顯著提升?；谠破脚_(tái)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，由專業(yè)機(jī)構(gòu)為主管部門長(zhǎng)期提供橋梁安全監(jiān)管的“一站式”智慧服務(wù)，成為“智慧城市”戰(zhàn)略構(gòu)架的重要組成部分。通過(guò)云平臺(tái)對(duì)運(yùn)維、設(shè)計(jì)資料等數(shù)據(jù)進(jìn)行集約化管理；以計(jì)算機(jī)終端、手機(jī)客戶端等形式為管理部門不同用戶以不同權(quán)限層級(jí)的模式提供“智慧服務(wù)”，在風(fēng)險(xiǎn)事件條件下，及時(shí)通過(guò)手機(jī)短信、客戶端信息等形式向用戶提供告警和預(yù)警。

系統(tǒng)基本構(gòu)架見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 獨(dú)柱墩橋梁安全運(yùn)維在線傳感系統(tǒng)

以現(xiàn)代傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建城市道路交通智慧運(yùn)維系統(tǒng)，整合道路、橋梁和附屬設(shè)施相關(guān)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、運(yùn)維環(huán)境、運(yùn)行荷載、交通狀況等數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建信息化綜合管理和服務(wù)平臺(tái)，推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全管理的信息化、智慧化提升。

獨(dú)柱墩抗傾覆加固模塊中，定制開(kāi)發(fā)基于光纖光柵傳感技術(shù)的支座受力監(jiān)測(cè)傳感裝置，實(shí)時(shí)、高頻度采集支座受力和變形狀態(tài)，同時(shí)，以光纖光柵應(yīng)變計(jì)采集鋼蓋梁應(yīng)力顯著區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加固后運(yùn)維期內(nèi)結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵指標(biāo)的長(zhǎng)期在線監(jiān)管。

通過(guò)對(duì)常用球鋼支座、橡膠支座附加該類型傳感器，可實(shí)現(xiàn)支座變形的高頻度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)備反應(yīng)靈敏，變形量程適用性強(qiáng)，耐候性好。采用外置式安裝方式，可廣泛適用于新建和既有橋梁多種類型的支座。在上海市G1501郊環(huán)線、外環(huán)高速、福州市某立交匝道橋梁的應(yīng)用表明，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效監(jiān)測(cè)支座受力，及時(shí)偵測(cè)由于重載車輛通行導(dǎo)致的橋梁偏載、荷載突變等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)獨(dú)柱墩橋梁設(shè)置支座受力傳感器和位移傳感器，對(duì)獨(dú)柱墩支座不平衡受力、墩梁相對(duì)位移和梁體側(cè)傾變形進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)采集。每個(gè)橋墩的系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)表1。獨(dú)柱墩橋梁物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備見(jiàn)圖4。

表1 獨(dú)柱墩橋梁物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維傳感設(shè)備（單個(gè)橋墩）

圖4 獨(dú)柱墩橋梁物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備

高峰期（夜間重車通行頻繁）典型的支座受力顯著性響應(yīng)見(jiàn)圖5。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可為在風(fēng)險(xiǎn)事件條件下提供即時(shí)告警；數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累，可為橋梁管理部門的管養(yǎng)工作以提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。遠(yuǎn)期，亦可以數(shù)據(jù)接口的方式，與交通管理監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重載交通的協(xié)同管理。

3.3 獨(dú)柱墩橋梁支座智能巡檢技術(shù)

采用專業(yè)性橋梁巡檢無(wú)人機(jī)為獨(dú)柱墩橋梁支座巡檢提供技術(shù)輔助和增值服務(wù)，該設(shè)備顯著特征在于：基于四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，便于在橋下接近梁體和橋墩的狹小空間進(jìn)行精確制導(dǎo)飛行，在飛行器頂部安裝專用穩(wěn)定云臺(tái)，搭載小型高清攝像裝置和旁軸照明補(bǔ)光設(shè)備，同時(shí)，飛行器頂部和旋翼加設(shè)碰撞防護(hù)裝置，以適應(yīng)在近結(jié)構(gòu)位置飛行的安全和穩(wěn)定性需求。

實(shí)踐表明，該專業(yè)無(wú)人機(jī)可在頂部防碰撞支架保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)橋梁支座的平視或略俯視觀測(cè)，巡檢效率高，可達(dá)性和安全性較好。

“在線監(jiān)測(cè)”和“智能巡檢”作為橋梁運(yùn)維數(shù)據(jù)的兩條基本采集途徑，是“橋梁安全運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”的前端構(gòu)成?！霸诰€監(jiān)測(cè)”對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施安全指標(biāo)全時(shí)采集，“智能巡檢”以現(xiàn)代化裝備和技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)橋梁“高頻度”、“全覆蓋”體檢，兩者共同構(gòu)成橋梁運(yùn)維狀態(tài)的“神經(jīng)元”系統(tǒng)，為道橋運(yùn)維管理部門提供更高效、更便捷的智慧服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)獨(dú)柱墩橋梁抗傾覆需求，本文提出模塊化加固技術(shù)方法，并結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)與獨(dú)柱墩運(yùn)維安全直接相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建了在線傳感和智能巡檢相結(jié)合的智慧化運(yùn)維體系。

以互聯(lián)網(wǎng)為核心的獨(dú)柱墩橋梁安全運(yùn)維智慧服務(wù)系統(tǒng)，將橋梁支座由傳統(tǒng)的純受力構(gòu)件，提升為可感知的智慧終端；將傳統(tǒng)以人工巡檢為主的經(jīng)驗(yàn)性運(yùn)維管理，提升為區(qū)域化、長(zhǎng)線路、以數(shù)據(jù)為支撐的智慧化精細(xì)管理體系。同時(shí)，通過(guò)運(yùn)維指標(biāo)的長(zhǎng)期感知、評(píng)估，將獨(dú)柱墩加固工作由單次“項(xiàng)目模式”，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪I(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期、主動(dòng)關(guān)懷的“服務(wù)模式”。

促進(jìn)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)與市政基礎(chǔ)設(shè)施深度融合，是城市管理和服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。以模塊化加固、實(shí)時(shí)感知和智能巡檢為代表的獨(dú)柱墩橋梁管養(yǎng)創(chuàng)新體系，是對(duì)國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的直接響應(yīng)，也是增強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施精細(xì)化管理水平、提升市政基礎(chǔ)設(shè)施公共服務(wù)水平的重要舉措，具備良好的現(xiàn)實(shí)意義和產(chǎn)業(yè)化推廣前景。