中小型混凝土梁橋安全監(jiān)測綜述

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

中小型混凝土梁橋安全監(jiān)測綜述

屈浩然

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

我國中小橋梁眾多，由于結(jié)構(gòu)老化，車輛超載等因素使得中小橋面臨著嚴峻的運營安全問題。為了保證運營安全以及延長服役壽命，有必要對在役中小橋進行安全監(jiān)測。本文對在役中小橋安全監(jiān)測的必要性及監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測位置和常用監(jiān)測儀器進行了介紹。

安全監(jiān)測；監(jiān)測參數(shù)；傳感器

1 概述

我國中小跨橋梁數(shù)量在橋梁總數(shù)中占有絕大多數(shù)，其安全狀況直接影響著交通運輸?shù)捻槙臣鞍踩?/p>

在役中小跨橋梁在環(huán)境、材料老化及荷載長期作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷。隨著近年來公路上通行車輛數(shù)量及軸重的日益增加，重超載問題嚴重，橋梁損傷速度加快，橋梁出現(xiàn)超預(yù)期病害甚至垮塌的事件越來越多，安全性問題尤為突出。

由于經(jīng)費投入限制及超載車輛影響，數(shù)量龐大的中小跨橋梁檢查養(yǎng)護工作難以滿足要求，眾多的中小型橋梁存在著較嚴重的安全隱患。

目前對中小橋通常采用人工定期檢查方法，周期一般為兩到三年，檢測橋梁的損傷情況評估橋梁的安全狀態(tài)。受人員情況、現(xiàn)場條件、觀察周期的限制，僅依靠這種方法存在一定隱患。

長期在線監(jiān)測可以實時、全面掌握橋梁的健康狀態(tài)，為了解橋梁隨時間等因素影響的變化過程積累重要數(shù)據(jù)。中小橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有適用性、可靠性和經(jīng)濟性的特點。

1.1適用性

根據(jù)中小跨梁橋的結(jié)構(gòu)特點，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元建模分析計算選取關(guān)鍵截面和關(guān)鍵參數(shù)進行安全監(jiān)測，建立簡潔明確的分析評估系統(tǒng)，使橋梁一線的管理維護工作人員快捷地辨別橋梁的安全狀態(tài)。

1.2可靠性

中小跨梁式橋所處的自然環(huán)境復(fù)雜，因此安全監(jiān)測中所采用的數(shù)據(jù)采集元件和設(shè)備除應(yīng)滿足精度外，還應(yīng)具有良好的穩(wěn)定和耐久性。

1.3經(jīng)濟性

中小跨徑橋梁其造價較低，因此中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟性顯得尤為重要。在滿足監(jiān)測功能性要求的前提下，盡量采用經(jīng)濟的儀器設(shè)備，對測點的布設(shè)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲及分析進行優(yōu)化。

2 中小橋主要監(jiān)測參數(shù)

中小橋健康監(jiān)測系統(tǒng)有別于大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，在設(shè)計時應(yīng)遵循“因地而異、因橋而異、經(jīng)濟合理、穩(wěn)定可靠”的原則。不同地理位置的橋梁因橋址處環(huán)境不同，需要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)不同，不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁監(jiān)測內(nèi)容也應(yīng)有所不同，并且在進行橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮到投資額度的影響，最優(yōu)化地選擇監(jiān)測的硬件系統(tǒng)，設(shè)計出經(jīng)濟合理、穩(wěn)定可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)。

中小型梁式橋的安全監(jiān)測內(nèi)容可分為作用監(jiān)測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，根據(jù)中小橋梁的重要程度和安全狀態(tài)。其中作用監(jiān)測必選監(jiān)測項目為車輛荷載及環(huán)境溫度，地震作用作為可選項；結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測一般把應(yīng)力、撓度、振動和伸縮縫的變位作為必選監(jiān)測項，橋梁的幾何線形、支座反力作為可選項。

3 中小橋主要監(jiān)測截面位置

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求以及效益成本分析,通過計算分析得出不同截面位置對監(jiān)測內(nèi)容的回應(yīng)敏感度，最優(yōu)化地確定所需的監(jiān)測項目、測點位置及數(shù)量。

中小跨梁式橋不同監(jiān)測內(nèi)容的監(jiān)測截面如下表所示。

表1 中小跨梁式橋主要監(jiān)測截面位置

4 中小型梁橋安全監(jiān)測儀器的選擇

根據(jù)中小橋梁的結(jié)構(gòu)特性、所處環(huán)境及資金許可,結(jié)合其監(jiān)測項目、監(jiān)測內(nèi)容以及監(jiān)測位置，綜合必選確定使用的傳感器或測量儀器。

4.1應(yīng)力與應(yīng)變監(jiān)測

應(yīng)力與應(yīng)變是反映荷載作用下橋梁局部受力與損傷情況的指標。通過監(jiān)測關(guān)鍵截面，得到監(jiān)測點的應(yīng)力或應(yīng)變。進而通過應(yīng)力或應(yīng)變的變化評估橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度和安全狀態(tài)。

對中小型橋梁進行實時的應(yīng)力或應(yīng)變的監(jiān)測，使用最多的是振弦試傳感器、光纖光柵傳感器和電阻應(yīng)變片。

其中振弦式傳感器采用振弦理論設(shè)計制造,靈敏度及精度較高,穩(wěn)定性較好,耐惡劣環(huán)境能力強。常用的JMZX-215型應(yīng)變計，應(yīng)變量程±1500με，精度2.5%F.S，測量標距157mm，且價格相對低廉，適合預(yù)算有限的中小橋梁長期監(jiān)測。

4.2撓度監(jiān)測

撓度是評估中小橋梁安全狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。橋梁的豎向撓度,反映其整體剛度,利用監(jiān)測中小橋撓度的變化判斷出橋梁當前的安全狀態(tài)。

常用撓度的量測方法有百分表測量法、靜力水準儀測量法、全站儀測量法、連通管測量法等方法。

中小跨徑橋梁可以使用靜力水準儀法進行撓度監(jiān)測。利用連通的管道中的液體，在重力作用下，不同的位置液面高度一致。多個靜力水準儀通過管道連接，當某個測點的垂直位移發(fā)生變化時，靜力水準儀的液面高度也會發(fā)生變化，通過監(jiān)測其變化值，可以得到各監(jiān)測點橋梁的豎向撓度變化。此方法具有準確性好、精度高、耐久及穩(wěn)定性都好等特點，能夠適應(yīng)中小橋難度的長期監(jiān)測。

4.3裂縫監(jiān)測

中小型混凝土橋梁裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會直接導(dǎo)致橋梁的使用性能退化和其他病害的產(chǎn)生。因此裂縫也是中小跨混凝土橋梁安全監(jiān)測的基本參數(shù)之一。

混凝土裂縫監(jiān)測方法主要有：振弦式表面型裂縫計、光纖光柵裂縫監(jiān)測方法、圖像監(jiān)測方法、SMA裂縫監(jiān)測方法和機敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測方法等。

中小橋梁考慮經(jīng)濟性、操作方便性和安全性，對于已有橋梁裂縫寬度監(jiān)測推薦采用振弦式表面安裝型裂縫計。

VWD型振弦式測縫計可以測量0～20mm寬度范圍的裂縫，靈敏度≤0.01k/（mm/F），測量精度±0.1%F.S，常用于混凝土裂縫的長期監(jiān)測。裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會引起位移計位移的變化，進而引起測縫計振動頻率的變化。頻率信號被傳輸至數(shù)據(jù)讀取裝置，即可測出被測裂縫的寬度。

4.4溫度監(jiān)測

目前應(yīng)用于橋梁監(jiān)測的振動傳感器主要有壓電式振動傳感器、電容式MEMS振動傳感器、電感式振動傳感器等。

壓電振動傳感器抗磁場干擾能力差，電容式MEMS振動度傳感器壽命短、靈敏度低，電感式振動傳感器對溫度敏感會引起導(dǎo)磁率發(fā)生變化，使線圈磁場發(fā)生溫度漂移，均難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的要求。

光纖光柵振動傳感器頻率測量范圍、溫度適應(yīng)范圍和可靠性等方面均滿足橋梁振動監(jiān)測的基本需求，并且外形結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，具有良好的長期穩(wěn)定性，是橋梁振動監(jiān)測最常用傳感器。

5 結(jié)論

對于數(shù)量眾多，占絕大多數(shù)比重的中小橋梁的安全狀況進行實時監(jiān)測，可以做到防患于未然，具有重要的現(xiàn)實意義; 根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點，合理的選取監(jiān)測參數(shù)，建立適用、可靠、經(jīng)濟的監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)中、小跨徑橋梁安全運營的堅實保障。

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TU714

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1007-6344（2017）06-0283-01

屈浩然（1988-），男，山東魚臺人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：橋梁安全監(jiān)測，大跨徑橋梁計算分析與施工監(jiān)控。