橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)在大型橋梁病害監(jiān)控上的應(yīng)用

王曉偉

（沈陽市市政工程設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽110015）

1 工程概況

沈陽市北一路公鐵橋建于2006年，由主橋和東西引橋組成，共27跨，主橋跨越鐵路線。橋梁總長1 250 m，其中橋梁結(jié)構(gòu)長961.43 m，東引道長137.85 m，西引道長150.72 m。主橋采用（65.55+110+65.55）m三孔變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

2 安裝橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

根據(jù)對我國近三十年來修建的主跨60 m至270 m的部分跨度較大P C梁橋的調(diào)查結(jié)果顯示，所調(diào)查的所有橋梁均出現(xiàn)了不同程度的裂縫情況，近20 a來修建的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋最為嚴(yán)重。對于北一路公鐵橋主橋而言，由2016年《沈陽市北一路公鐵橋常規(guī)檢測報告》可知，對于主橋三孔預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，其兩幅橋各跨箱梁腹板上均存在斜向裂縫，且部分裂縫寬度超限，超過了允許值0.2 mm，裂縫深度超過了鋼筋保護(hù)層厚度。事實上，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后其抗彎剛度會有所降低，這樣結(jié)構(gòu)的撓度就會增加，從而加劇了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，由此惡性循環(huán)，橋梁的極限承載能力將會逐年降低，對橋梁的安全性和耐久性帶來了危害。

由此可見，對于沈陽市北一路公鐵橋主橋，其結(jié)構(gòu)的“腹板裂縫寬度”及“豎向最大變形”的發(fā)展直接與結(jié)構(gòu)的安全性密切相關(guān)。因此，有必要在其主橋上安裝一套安全監(jiān)測系統(tǒng)。

3 橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)遵循統(tǒng)一管理的思路和模式。其硬件方面考慮橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)工程要緊密結(jié)合橋梁實際情況，包括橋梁類型、跨度、受力特點(diǎn)等，并緊密結(jié)合相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，注重實用性、可靠性、協(xié)調(diào)性、先進(jìn)性、可操作性、易維護(hù)性、完整性和可寬容性等幾個原則。

根據(jù)待監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安全監(jiān)測系統(tǒng)主要分為傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫管理與安全預(yù)警四大部分。利用光纖或無線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸平臺，將橋梁現(xiàn)場自動化數(shù)據(jù)采集和控制中心有機(jī)地鏈接為一個分布式的整體；系統(tǒng)基于分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和Internet技術(shù)，將各部分和監(jiān)控中心鏈接為一個整體，用戶可遠(yuǎn)程對系統(tǒng)進(jìn)行控制、配置，以及獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過長期安全監(jiān)測與人工巡檢相結(jié)合的方式，獲取橋梁的運(yùn)營狀態(tài)信息，分析、評估橋梁的運(yùn)營狀態(tài)及安全狀況。

4 監(jiān)測內(nèi)容

北一路公鐵橋主線上部結(jié)構(gòu)均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，其典型的病害特征主要表現(xiàn)為下?lián)线^大、腹板易產(chǎn)生裂縫。顯然，結(jié)構(gòu)的“豎向最大變形”及“腹板最大裂縫寬度”的發(fā)展直接與結(jié)構(gòu)的安全性密切相關(guān)。另一方面，橋梁變形也是反應(yīng)橋梁整體剛度的重要指標(biāo)，是橋梁結(jié)構(gòu)安全評價的重要依據(jù)，與橋梁的承載能力有密切關(guān)系；裂縫的發(fā)展可導(dǎo)致鋼筋的銹蝕，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)耐久性。因此，將以上兩參數(shù)作為待監(jiān)測橋梁的安全監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)（見表1）。

5 測點(diǎn)布設(shè)原則

安全監(jiān)測系統(tǒng)的基本監(jiān)測功能通過傳感器系統(tǒng)來實施。傳感器的測點(diǎn)布置決定了系統(tǒng)的功能和效率?；谝陨蟽牲c(diǎn)，測點(diǎn)布置應(yīng)遵循以下四個前提原則：

表1 安全監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)表

（1）在進(jìn)行傳感器測點(diǎn)布置時，應(yīng)通過計算分析優(yōu)化布點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求。

（2）應(yīng)從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度出發(fā)進(jìn)行傳感器的測點(diǎn)布置。

（3）傳感器測點(diǎn)的布置應(yīng)以把握結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的設(shè)計控制指標(biāo)和把握結(jié)構(gòu)宏觀主量為目標(biāo),并結(jié)合實際環(huán)境條件布置測點(diǎn)。

（4）裂縫測點(diǎn)的布設(shè)必須參照檢測報告中典型裂縫出現(xiàn)的位置。

北一路公鐵橋具體的測點(diǎn)布設(shè)位置如圖1、圖2所示。

圖1 裂縫寬度測點(diǎn)布置立面圖

圖2 豎向變形測點(diǎn)布置立面圖

6 在線檢測、安全預(yù)警

在測點(diǎn)布置完成以后，安全監(jiān)控系統(tǒng)將實時地將橋梁結(jié)構(gòu)測點(diǎn)位置的裂縫變化數(shù)據(jù)和撓度變化數(shù)據(jù)傳輸給橋梁的管養(yǎng)部門，在裂縫和撓度數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時，又能夠及時地進(jìn)行安全預(yù)警。

根據(jù)撓度和裂縫的數(shù)據(jù)，能及時地對橋梁的使用狀態(tài)進(jìn)行分析。部分?jǐn)?shù)據(jù)反映的橋梁狀態(tài)情況如下：

（1）不同類型傳感器數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性較好。這表明數(shù)據(jù)有效性。

（2）關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)跨中，位移和裂縫寬度發(fā)展較穩(wěn)定。這表明橋梁在該監(jiān)測時段運(yùn)營狀況正常。

（3）隨著運(yùn)營時間的增加，橋梁并未發(fā)生較大的縱向位移。這說明橋梁的剛度未降低，橋梁的使用性能較好。

（4）不同時段監(jiān)測的自振頻率較為接近。這說明橋梁的剛度未發(fā)生明顯的變化。

（5）車輛荷載對橋梁的影響主要表現(xiàn)為瞬時性變化，車輛過橋后，橋梁恢復(fù)至初始狀態(tài)。這說明橋梁處于彈性工作狀態(tài)。

7 結(jié)語

多年來，橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況一直是公眾特別關(guān)心的問題。現(xiàn)代化大型橋梁作為交通主干道的重要節(jié)點(diǎn)，對交通運(yùn)輸區(qū)域發(fā)展具有重大影響。然而，橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間，不可避免地要受到自然環(huán)境和使用環(huán)境的影響，其安全性和使用功能也必然發(fā)生退化；此外，由于交通量的不斷增加，超載問題日益嚴(yán)重，這也進(jìn)一步加劇了橋梁結(jié)構(gòu)的功能退化。

為了保證橋梁的運(yùn)營安全，養(yǎng)護(hù)人員通常依靠人工的方法，或是定期對橋梁或路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡檢，或是在出現(xiàn)特殊情況時再進(jìn)行檢查評估。然而，這種傳統(tǒng)的人工檢查方法存在一定的滯后性，是一種靜態(tài)的檢查。隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，針對橋梁安全監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)人工檢查方法不同，安全監(jiān)測可以實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)，是相對動態(tài)的。它主要是指利用現(xiàn)場安裝的且對結(jié)構(gòu)安全無損的傳感器元件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的在線監(jiān)測，并有效地利用監(jiān)測信息反演結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，識別結(jié)構(gòu)中的損傷。

因此，可長期直觀地反映結(jié)構(gòu)的損傷變化，及時客觀地評價結(jié)構(gòu)的當(dāng)前運(yùn)營狀態(tài)。此外，當(dāng)結(jié)構(gòu)在營運(yùn)狀況出現(xiàn)嚴(yán)重異常時，亦可觸發(fā)安全預(yù)警信號，使管理者及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效的預(yù)防措施。顯然，若將橋梁人工檢查與安全監(jiān)測有機(jī)結(jié)合，可有效地消除現(xiàn)存單一檢查或監(jiān)測方法中的諸多不足，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，降低橋梁運(yùn)營風(fēng)險和社會財產(chǎn)損失。