基于BIM的空心板梁桥铰缝监测、维修技术

基于BIM的空心板梁桥铰缝监测、维修技术

潘罗文

（上海沪杭路桥实业有限公司， 上海市 201600）

摘 要：通过对G60高速（上海段）67座小铰缝空心板梁桥的铰缝损伤状况进行归纳统计，分析铰缝的破坏特征及损伤原因，提出了一种基于BIM的铰缝在线监测技术，不仅可以针对铰缝进行在线监测，同时可以实现铰缝损伤评估以及剩余寿命的预测；同时引入铰缝损伤指数Di，依据在线监测数据对铰缝的损伤程度进行定量化评估，系统依据评估结果推荐针对性的维修方法，实现提高维修加固的效率，降低运营维护的成本。

关键词：小铰缝、空心板梁、BIM、在线监测、定量化评估

0 引言

简支空心板桥具有结构简单，预制、安装方便，结构受力性能好，标准化程度高，故在桥孔通行要求不高、下部结构施工便捷的高速公路、城市道路部分桥梁建造中被广泛采用[1]。早期建造的简支空心板梁桥，板梁之间都采用小铰缝结构，通过小铰缝起到的横向连接作用使空心板梁形成整体，共同承受桥面活载作用。设计方面由于小铰缝截面尺寸小且为素混凝土结构，接缝混凝土抗剪能力有限；施工过程，由于空间狭小、预制板侧面较光滑、混凝土现场浇筑质量不可控，造成铰缝混凝土抗剪能力远不能达到设计要求。目前高速公路大流量交通活载作用下，空心板梁间小铰缝极易损伤，甚至出现单板受力状态，影响桥梁运营安全[2]。

目前高速公路针对桥梁维护采取的方式，依据规范要求进行定期检测，并依据检测报告进行养护维修。这种方式具有一定的滞后性和局限性，考虑到铰缝损伤具有时效性，不同的损伤阶段有各自适合的维修方案，年度检测报告无法全面覆盖铰缝损伤信息，本文结合G60高速（上海段）67座小铰缝空心板梁桥的铰缝损伤状况，分析铰缝的破坏特征及损伤原因，提出一种基于BIM的铰缝在线监测技术，并依据铰缝损伤程度推荐不同的维修方案，以达到提高养护维修效率，降低运营成本的目的。

1 铰缝损伤成因分析

对G60高速（上海段）67座空心板梁桥小铰缝的病害进行归纳统计，铰缝损伤的原因主要归纳为以下4点：

（1）设计：主要包括以下3个方面：①目前上海地区早期建设的高速公路一般采用小铰缝空心板梁，采用的铰缝结构尺寸断面较小，铰缝混凝土标号较低，板梁间的横向连接较弱，高速公路重车作用下铰缝容易损坏。②由于桥面纵横坡或预制板梁的预拱度不合适等原因造成桥面铺装局部厚度不足，而且早期桥面铺装混凝土标号较低、桥面铺装钢筋直径较小、间距设置较大等情况，降低了铺装层的整体化作用、与板梁的协同作用减小、整体刚度降低。③桥梁设计中一片板梁一般为4个支座，但由于施工工艺的原因，个别情况会出现一个支座脱空的现象，车辆通过时三个支座支撑的板梁会出现翘动，导致铰缝破碎损坏。

（2）施工：材料不符合要求，设计铰缝或桥面混凝土铺装的强度比设计低，从上海绕城高速南段桥梁现场破坏的情况看，桥面铺装和铰缝混凝土呈破碎状，经检测的混凝土标号达不到设计要求，振捣不密实，钢筋绑扎不合要求，施工时对板梁的横向联系没有引起足够的重视，桥面混凝土铺装内的钢筋网位置控制不准、预制板梁铰缝以及顶面凿毛不到位，施工完后桥面钢筋网位于铺装层和板梁之间形成一道夹层，钢筋网未达到效果，混凝土铺装层及铰缝与预制板梁粘结不牢固情况严重，均会导致铰缝的损坏。

（3）荷载：随着社会的发展，车辆总重和轴重日益增大，特别是近几年集装箱卡车的大幅增加，公路运输对桥梁的要求越来越高，从实际的交通结构上看，目前高速公路超载严重，加速了铰缝的损坏。

（4）高速公路主体：高速公路行车道的划分，使车辆行驶的轨迹具有规律性，因此行车道上板梁承受重复荷载的几率增加，在重车荷载作用下导致板梁的铰缝破坏。
2 基于BIM的在线铰缝在线监测技术

2.1铰缝在线监测技术

动挠度是最直观反映桥梁通车状态下工作性能的指标，现有针对铰缝工作性能的监测通常要在现场布置电阻位移计、位移计支架和动态数据采集系统[3]，因此不能对结构进行实时在线检测。

本文开发的分布式铰缝在线监测系统具有通讯可靠、传输距离远、测试精度高、可维护性强等特点。系统集成图如图1所示。本次在G60高速选择一座典型的存在铰缝损伤病害的空心板梁桥，板梁之间均采用小铰缝连接。结合外观病害检查结果，选择了4条损伤严重的铰缝以及4条重车行驶较为集中位置的铰缝，于铰缝两侧布置铰缝计，对铰缝两侧板梁相对位移差进行在线监测。根据桥梁振动特性，现场采集频率为50Hz，铰缝相对位移的动态数据通过４Ｇ传输至系统终端，系统架构详见图1所示，铰缝记安装现场照片详见图2所示，典型监测数据详见图3所示。

图1 在线监测系统架构图

图2 铰缝计现场照片

图3 典型监测数据图

2.2基于BIM的在线监测

本文研究将BIM技术与小铰缝在线监测相融合，BIM技术具有以下优点：①可视化即“所见即所得”的形式。可视化的优势体现在运营管理各方可以通过BIM模型快速获得项目各类信息，提高工作效率。可视化的结果不仅可以用来效果图的展示及报表的生成，更重要的是项目运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。②协调性。

BIM技术将运营维护各方置于统一、直观的三维协同还境中，避免因误解或沟通不及时造成不必要的错误。③模拟性。模拟性不仅可以模拟桥梁的三维模型，还可以根据铰缝的损坏、维修等记录，可靠度理论预测铰缝的剩余寿命。本次将BIM技术与铰缝监测相融合的具体思路如下：

（1）初始构件划分，将桥梁模型划分为：主梁、铰缝、台帽盖梁、立柱等构件，本根据现场外观病害检测结果，并根据现场外观检测结果筛选出损坏的铰缝构件，按照几何尺寸深度LOD300和附加信息深度Lv.3[4]的标准建立 BIM 模型；全桥三维 BIM 模型见图4所示。

图4 全桥三维BIM模型图

（2）在模型中导入铰缝监测数据，依据铰缝监测数据对监测的铰缝按照不同损伤状态进行归类，并在模型中赋予不同的颜色，同时按照铰缝损伤的时间、维修的时间赋予铰缝状态的时间轴信息，详见图5所示。

图5 不同颜色标记铰缝损伤等级

（3）后续可将三维模型导入到桥梁计算软件进行计算分析，分析铰缝损坏后桥梁结构的承载能力变异情况，并及时做出预警。

（4）预测铰缝的损坏时间并进行预养护。将BIM模型和运营管理信息集成到铰缝智慧化监测系统中去，并利用测得的振动频率、模态以及它们的导出量如柔度、模态曲率对铰缝损伤进行基于振动的损伤评估和剩余寿命预测。

3 基于铰缝损伤状态评估的维修技术

3.1铰缝损伤评估

铰缝损伤外在表现除了铰缝渗水外，还表现在铰缝两侧板梁存在一定程度的位移差，一般情况下铰缝两侧板梁的位移差与铰缝损伤程度、空心板梁跨径以及桥面交通量均存在一定程度的联系。本本文引入铰缝损伤指数Di[3]，该指标Di以铰缝两侧板梁位移差绝对值除以铰缝两侧板梁挠度最大值之和来表征铰缝损伤程度，详见图6及表1所示。

图6损伤指标Di

表1损伤程度表

3.2不同损伤状态的铰缝针对性维修方法

依据铰缝在线监测数据及铰缝损伤程度，系统推荐不同损伤状态的铰缝维修方法。

（1）铰缝属于轻度损伤，则建议后期加强观测，无须采取维修措施；

（2）铰缝属于中度损伤，则建议使用在梁底施工作业的铰缝维修方法，该方法通过梁底注浆，对损坏的铰缝进行维修加固，其特点在于无需封闭交通即可进行铰缝维修。由于维修工作在梁底进行，施工安全隐患小且维修加固易于管控[5]，现场照片详见图7所示。

图7 梁底注浆铰缝维修现场照片

（3）铰缝达到重度损伤或者完全破坏的程度，则应首先封闭桥面交通，铣刨铰缝为主桥面铺装，凿除铰缝中破碎的混凝土，并重新植入铰缝钢筋，最后重新浇筑铰缝混凝土，并进行适当的养护后开放交通。

4  结论

本文通过对基于BIM的空心板梁桥铰缝监测、维修技术的研究，得出以下结论：

（1）本文对G60高速（上海段）67座简支空心板梁桥小铰缝病害状况进行统计，并对小铰缝损伤的原因进行分析；

（2）基于BIM的铰缝在线监测技术不仅可以对铰缝状态进行实时在线监测，同时可以实现铰缝损伤评估以及剩余寿命的预测；

（3）对铰缝损伤程度进行定量化评估，依据评估结果采取针对性的维修方法，实现提高维修加固的效率，降低运营维护的成本。

（4）铰缝在维修实施过程中应注意施工质量，才能有效地修复铰缝，增加桥梁的横向联系。

参考文献

[1] 刘明选. 空心板梁桥铰缝病害分析和维修方法研究[J]. 四川理工学院学报（自然科学版）,2014（4）：65-68.

[2] 赵素锋. 装配式空心板梁铰缝病害机理分析与防治措施[J]. 中国港湾建设,2012（4）：15-18.

[3] 李小年,彭崇梅,孙燕，张香.基于挠度监测的铰缝损伤定量评估方法[J].中国市政工程，2016(2)：60-63．

[4] 崔鑫，吴涛，陈勇，等.既有桥梁运维阶段 BIM 建模标准研究[J].上海公路，2018，37（2）：57-60.

[5] 刘烨. 基于BIM的空心板梁桥铰缝维修技术[J]. 上海建设科技,2020(3):75-77.

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