中小跨橋梁安全監(jiān)測技術(shù)研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和公路交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，公路橋梁建設(shè)規(guī)模越來越大。截止2018年末，全國公路橋梁共85.15萬座，其中特大橋梁5053座，大橋98869座，而中小跨橋梁數(shù)量占全國公路橋梁總數(shù)90%以上。由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和抗力衰減。如何保證數(shù)量眾多的中小橋運(yùn)營安全，是橋梁管養(yǎng)部門面臨的重要難題。通過安裝橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)，根據(jù)荷載輸入和結(jié)構(gòu)響應(yīng)判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，是否即將達(dá)到或超越服役極限狀態(tài)，在自然環(huán)境、交通條件或運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，從而避免重大安全事故的發(fā)生。而國內(nèi)外關(guān)于橋梁監(jiān)測的科學(xué)研究、技術(shù)規(guī)范和工程實踐主要集中在特大跨徑橋梁領(lǐng)域，對中小橋的安全與健康監(jiān)測實踐及經(jīng)驗還比較少。

一、中小跨橋梁監(jiān)測參數(shù)及傳感器的適用性分析

(一)中小跨橋梁監(jiān)測參數(shù)的選擇

橋梁健康監(jiān)測的主要目的是掌握結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全狀況，合理選擇橋梁安全監(jiān)測內(nèi)容是對橋梁運(yùn)營狀態(tài)和安全性進(jìn)行評估的前提，應(yīng)盡可能關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全與否的重點監(jiān)測內(nèi)容。橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的內(nèi)容主要包括荷載與環(huán)境、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)三大類：荷載與環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括車輛荷載、風(fēng)、地震、濕度、溫度和船舶撞擊力等；結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)振動、位移、轉(zhuǎn)角和變形等；結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容包括構(gòu)件局部應(yīng)變、支座反力、裂縫和基礎(chǔ)沖刷等。目前，《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037-2016)和《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50982-2014)對大跨徑橋梁的監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定，而中小跨橋梁并沒有頒布相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)。一般大跨徑橋梁，監(jiān)測內(nèi)容較多，儀器費用高，對于受力簡單、數(shù)量眾多和造價較低的中小跨橋梁并不適用，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)選監(jiān)測指標(biāo)與內(nèi)容，根據(jù)橋型力求選擇最能反映橋梁健康狀況的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

中小跨徑橋梁監(jiān)測內(nèi)容的選擇應(yīng)符合監(jiān)測有效性、安全性、耐久性和性價比高等要求，由于中小跨混凝土梁橋造價低、安全監(jiān)測費用有限等經(jīng)濟(jì)適用性因素，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、干擾因素少的基本特點，中小跨徑橋梁應(yīng)以撓度、應(yīng)變和溫度為主要監(jiān)測指標(biāo)。

(二)中小跨橋梁監(jiān)測傳感器的選擇

目前，大跨徑橋梁主要基于恒載狀態(tài)變化的監(jiān)測方法，其重點在于濾過活載效應(yīng)得到恒載狀態(tài)的變化，一般選用低頻率的監(jiān)測設(shè)備，主要采集結(jié)構(gòu)長期的參數(shù)變化，測試結(jié)果不能完整地反映正常運(yùn)營下橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)力變化，而中小跨橋梁由于跨徑較小對采集頻率的要求更高。大跨徑橋梁往往采用的監(jiān)測設(shè)備精度低，而中小橋在活載作用下?lián)隙日w變化較小，往往不能滿足中小橋撓度感知的要求，數(shù)據(jù)的可靠性降低。

相比之下，基于活載響應(yīng)監(jiān)測值變化進(jìn)行中小跨橋梁運(yùn)營期安全狀態(tài)評估的方法，其重點是獲得準(zhǔn)確完整的活載信息，活載效應(yīng)的峰值將影響橋梁安全狀況的評判。因此采用采樣頻率高和精度高的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及配套傳感器，可以保證實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，能捕捉到活載引起的各類應(yīng)變、撓度效應(yīng)，有利于進(jìn)行橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評判。

因此，直接套用大跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建方法則存在成本太高、技術(shù)上不適合等問題，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評級會造成負(fù)面影響，對中小橋的安全監(jiān)測沒有實際意義。故中小跨梁橋的健康監(jiān)測應(yīng)選用高頻率高精度監(jiān)測設(shè)備且對活載效應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)有評價功能的監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)撓度監(jiān)測

主梁撓度是評價中小跨橋梁安全性的重要指標(biāo)。通過監(jiān)測橋梁在運(yùn)營期間內(nèi)，在活載及長期荷載作用下，橋梁各主要測試斷面的位移變化，掌握橋梁結(jié)構(gòu)剛度變化情況及徐變作用情況，對橋梁結(jié)構(gòu)的整體性及薄弱部位進(jìn)行評估。

目前橋梁撓度監(jiān)測方法主要有全站儀法、傾角儀法、激光撓度測量、光電成像法、連通管法、GPS法和張力線法等。其中全站儀法和連通管法只適用于測量橋梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)變形或位移；GPS測量精度低，不能滿足中小橋撓度感知的要求，主要應(yīng)用在特大跨懸索橋和斜拉橋的靜態(tài)測量；傾角儀法測量橋梁撓度法，其動態(tài)測量時容易受到各種傾角相位差及零漂的影響且后續(xù)數(shù)據(jù)處理較繁雜，迄今還沒有得到較為廣泛的應(yīng)用；張力線法是一種成本低、安裝方便的新型撓度測量方法，但容易受到風(fēng)和環(huán)境溫度的影響，目前關(guān)于張力線法的研究與應(yīng)用還較少；電成像測量可以實現(xiàn)橋梁動靜態(tài)測量，能滿足實時、長期、自動測量要求等諸多優(yōu)點，在實際工程中已得到了很好的應(yīng)用。綜上可知，對于中小跨橋梁，適用性較好的是張力線法和光電成像測量撓度法。

(2)應(yīng)變監(jiān)測

應(yīng)力(應(yīng)變)監(jiān)測是反映橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下構(gòu)件局部受力與破壞狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，通過監(jiān)測橋梁各主要測試斷面應(yīng)力變化，預(yù)警橋梁結(jié)構(gòu)是否有缺損狀態(tài)的潛伏或存在，從而為橋梁的承載能力、營運(yùn)狀態(tài)和耐久能力提供依據(jù)，保證橋梁強(qiáng)度及安全使用的要求。

目前，在橋梁工程中應(yīng)變測試使用最多的傳感器是電阻式應(yīng)變計、振弦式應(yīng)變傳感器、光柵光纖應(yīng)變傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器的穩(wěn)定性差，長時間測量會產(chǎn)生漂移，適用于短時間的靜力或動力試驗；振弦式應(yīng)變傳感器主要應(yīng)用在大跨徑橋梁長期、靜態(tài)的監(jiān)測；光纖光柵傳感器具有耐久性好、采集頻率高、精度高、信噪比高等諸多優(yōu)點，對中小橋的適用性好。

(3)溫度監(jiān)測

了解橋梁溫度隨環(huán)境溫度的變化情況，從而為不同溫度狀態(tài)下橋梁工作狀態(tài)變化，如變形、應(yīng)力變化進(jìn)行比較和分析時提供數(shù)據(jù)。目前監(jiān)測橋梁溫度的主要方式有：熱電阻溫度傳感器、便攜式測溫槍、光纖溫度傳感器。

二、總結(jié)

中小跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)選用高頻率高精度監(jiān)測設(shè)備，該系統(tǒng)能有效掌握實際運(yùn)營過程中活載效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，可為橋梁管理部門及時發(fā)現(xiàn)橋梁安全隱患提供有效的依據(jù)。