中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

陸 陸

(遼寧省高速公路管理局 遼寧 沈陽(yáng) 110003）

中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

陸 陸

(遼寧省高速公路管理局 遼寧 沈陽(yáng) 110003）

為確保中小跨徑橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，建立了一套適用于該類橋梁的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以后丁香大橋（舊橋）主跨連續(xù)箱梁作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，從監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)手段及選擇監(jiān)測(cè)儀器、安全預(yù)警等方面進(jìn)行了分析探討，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

中小跨徑橋梁；監(jiān)測(cè)；運(yùn)營(yíng)安全

1. 前言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)規(guī)模與日俱增，其中中小跨徑橋梁占較大比例。然而，在其迅速發(fā)展的同時(shí)，由于交通量不斷增長(zhǎng)，重載和超載車輛日益增多，設(shè)計(jì)施工以及養(yǎng)護(hù)措施不夠科學(xué)合理等原因，中小跨徑橋梁安全事故也隨之增多，這將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。顯然，橋梁管理者亟需一套針對(duì)中小跨徑橋梁的實(shí)際安全性能,進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并具有安全預(yù)警功能的系統(tǒng), 以確保橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全。因此，開展安全運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)研究，構(gòu)建一套適用于中小跨徑橋梁的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)保障該類橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的工程實(shí)際意義。

2. 中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要應(yīng)用傳感測(cè)試技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，計(jì)算機(jī)信息處理分析技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要由硬件和軟件子系統(tǒng)組成，其中硬件子系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、供電設(shè)備），軟件子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析處理軟件、上位機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析，遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)交互，并提供遠(yuǎn)程客戶訪問(wèn)交互功能。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅可以及時(shí)診斷中小橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并做出實(shí)時(shí)評(píng)估，而且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和當(dāng)前的評(píng)估結(jié)果，這些數(shù)據(jù)的共享有效地促進(jìn)了中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)和損傷診斷的研究。

3. 后丁香大橋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 工程背景

后丁香大橋位于沈陽(yáng)環(huán)城高速。橋跨組合：4×30m（T梁）+38+61+38m（箱梁）+2×40+5×25 m（T梁）+38+4×61+38m（箱梁）+21×30m（T梁），橋梁總長(zhǎng)為 1426.4m，橋面凈寬左右幅均為 11.50m，防撞墻外側(cè)寬為 0.50m，內(nèi)側(cè)寬為0.75m，上部結(jié)構(gòu)：預(yù)應(yīng)力混凝土等截面T梁及變截面箱梁，由于在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，箱梁出現(xiàn)跨中下?lián)线^(guò)大和腹板裂縫等病害，因此進(jìn)行了體外索加固處理；下部結(jié)構(gòu)：箱梁橋墩為鋼筋混凝土板式橋墩，T梁橋墩為鋼筋混凝土雙柱式橋墩，埋置式肋板臺(tái)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

為保證橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，選擇后丁香大橋（舊橋）主橋6孔一聯(lián)中的3孔連續(xù)梁橋作為監(jiān)測(cè)橋跨，通過(guò)在橋上安裝安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的病害特征及其致病因素結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋而言，主跨跨中下?lián)狭窟^(guò)大和箱梁底板和腹板易產(chǎn)生裂縫是其主要病害類型。由于跨中下?lián)蠒?huì)進(jìn)一步加劇箱梁底板開裂,而箱梁梁體裂縫增多使結(jié)構(gòu)剛度降低,進(jìn)一步加劇了跨中下?lián)?這兩者相互影響形成了惡性循環(huán)。此外，行駛的車輛對(duì)橋梁振動(dòng)具有明顯響應(yīng)，易產(chǎn)生沖擊型病害，進(jìn)而降低橋梁結(jié)構(gòu)工作性能，導(dǎo)致橋梁撓度、應(yīng)力及振動(dòng)頻率出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，由此加劇了撓度和裂縫的發(fā)展。根據(jù)橋梁自身的病害特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)橋梁模型進(jìn)行分析計(jì)算，確定橋梁損傷部位及程度，在此基礎(chǔ)上，選擇該橋梁的安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)為：跨中變形、跨中應(yīng)變、支點(diǎn)附近裂縫寬度、體外索應(yīng)變、自振頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體測(cè)點(diǎn)如圖1所示。通過(guò)分析各個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的變化情況，可及時(shí)了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)，判斷橋梁的安全性，確保橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和科學(xué)指導(dǎo)管養(yǎng)的目的。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3.傳感器選型

本研究為與系統(tǒng)保持相同的設(shè)計(jì)原則，對(duì)傳感器這一監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行合理選擇。根據(jù)傳感器工作原理及采用的材料的不同，一般分為電阻式、光纖式和振弦式三種類型。其中，振弦式傳感器采用振弦理論設(shè)計(jì)制造，靈敏度及精度較高，穩(wěn)定性較好，耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)期觀測(cè)，且內(nèi)置溫度傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)安裝位置的環(huán)境溫度；另外相對(duì)于光柵光纖傳感器，振弦式傳感器元件及其數(shù)據(jù)采集設(shè)備價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，而電阻式傳感器易受環(huán)境因素影響，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，因此本系統(tǒng)中選用振弦式傳感器，且適合預(yù)算不高的中、小橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的跨中變形、混凝土跨中應(yīng)變、裂縫寬度以及體外索應(yīng)變測(cè)量。橋梁振動(dòng)

根據(jù)橋梁自振頻率的監(jiān)測(cè)要求，選擇拾振器對(duì)被監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)、高精度的連續(xù)測(cè)量，其工作原理是：通過(guò)對(duì)環(huán)境振動(dòng)偵測(cè)，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)，及時(shí)啟動(dòng)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)可靠保存。

3.4. 橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

橋梁安全評(píng)估監(jiān)測(cè)主要是客觀評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，其可視化界面及動(dòng)態(tài)信息變化如圖2所示，該功能主要是結(jié)合采集到橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)或周期性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下主要被測(cè)參量隨時(shí)間或環(huán)境溫度變化的情況與以往相同環(huán)境溫度條件下的參考值進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)某參量數(shù)值發(fā)生突變時(shí)，即自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及時(shí)查明該參量發(fā)生突變的原因，分析和判斷結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損傷。

圖2 可視化界面

6. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，科學(xué)監(jiān)測(cè)橋梁病害損傷狀況，可客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出橋梁的安全狀態(tài)，可有效降低產(chǎn)生各類安全事故的幾率。此外，在更新維修橋梁結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生的各類質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，因目前的一些檢測(cè)技術(shù)還難以客觀準(zhǔn)確地評(píng)估出橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的損傷狀況。所以，建立中小跨徑橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并在應(yīng)用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行不斷完善，才能提高橋梁的安全性和使用壽命。

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陸陸（1983.7-），男，本科，土木工程。本文系遼寧省高速公路科研項(xiàng)目，基金號(hào)201409，基金名稱：預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋安全運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)研究

TU714

B

1007-6344（2016）03-0244-01

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