大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用

馬惠香 李志剛 康建功 黃蘭

【摘 要】針對目前施工監(jiān)控傳感器損壞無法更換、運(yùn)營監(jiān)測無法監(jiān)測橋梁恒載、施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測相對獨(dú)立等問題，在分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測內(nèi)容、系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，利用施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測信息的相關(guān)性，提出大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)的理念，并闡述其原理、工作模式及其優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)剛構(gòu)橋；全壽命監(jiān)測；施工監(jiān)控；運(yùn)營監(jiān)測；相關(guān)性

【中圖分類號】U446.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0125-02

0 引言

橋梁是國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)力發(fā)展等綜合國力的體現(xiàn)。截至2015年年底，我國建成的公路橋梁總數(shù)已經(jīng)達(dá)到77.9萬座，累計(jì)總長度為4 593萬m。無論在橋梁總體的數(shù)目上還是長度上，都可以堪稱是橋梁大國。大跨連續(xù)剛構(gòu)橋由于具有墩梁固結(jié)、無需大噸位支座、結(jié)構(gòu)連續(xù)變形小、滿足行車舒適性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。然而，隨著時代發(fā)展，交通工具不斷推陳出新，車輛載重量增大，超載重車輛不斷出現(xiàn)，加上橋梁在營運(yùn)過程中未采用科學(xué)、合理的養(yǎng)護(hù)措施，材料與結(jié)構(gòu)的自然老化、使用環(huán)境的變化等因素的共同作用下，使得大量橋梁結(jié)構(gòu)處于亞健康或危險(xiǎn)狀態(tài)。為了能夠準(zhǔn)確及時地了解橋梁運(yùn)營的安全性、耐久性和適用性，對橋梁進(jìn)行全壽命監(jiān)測具有重要意義。自20世紀(jì)90年代起，我國在一些重要的大型橋梁上安裝了規(guī)模不同的監(jiān)測系統(tǒng)。針對橋梁監(jiān)測，盡管已取得較大進(jìn)展，但依然存在一些問題。

基于此，本文在分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測內(nèi)容、系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，利用施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測信息的聯(lián)系，提出大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)的理念，并闡述其原理、工作模式及其優(yōu)勢，旨在為同類工程提供參考。

1 大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)

1.1 施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測

橋梁施工監(jiān)控是在橋梁施工過程中，按照實(shí)際施工工況，對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線型進(jìn)行量測，經(jīng)過誤差分析，繼而修正、調(diào)整以盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，是一個施工→量測→識別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程，可以提高橋梁的施工質(zhì)量、控制橋梁在施工過程及成橋狀態(tài)的力學(xué)行為，把握橋梁竣工質(zhì)量；橋梁施工監(jiān)控的內(nèi)容主要包括成橋理想狀態(tài)確定、理想施工狀態(tài)確定和施工適時控制分析等。

橋梁運(yùn)營監(jiān)測是通過橋梁結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境信息，包括環(huán)境溫度、風(fēng)荷載和車輛荷載等的變化，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征信息，實(shí)時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀況和運(yùn)營狀況，對工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測和識別，通過定期更新數(shù)據(jù)來估計(jì)結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)管理、養(yǎng)護(hù)、維修及運(yùn)營決策，為確保橋梁運(yùn)營安全提供依據(jù)。

大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋施工監(jiān)控與運(yùn)營期安全監(jiān)測的主要內(nèi)容如下。施工期間監(jiān)測項(xiàng)目：基礎(chǔ)沉降監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、風(fēng)荷載監(jiān)測、溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測；使用期間監(jiān)測項(xiàng)目：基礎(chǔ)沉降監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、風(fēng)荷載監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、地震監(jiān)測、車輛荷載監(jiān)測、動力響應(yīng)監(jiān)測、支座反力及位移監(jiān)測。

無論是施工監(jiān)控還是運(yùn)營監(jiān)測，其系統(tǒng)架構(gòu)基本都包含以下幾個部分：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀況評估系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)。

1.2 全壽命監(jiān)測技術(shù)

結(jié)合上述在分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，利用施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測信息的相關(guān)性，提出大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)的理念。

1.2.1 施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測的聯(lián)系

隨著監(jiān)控/監(jiān)測技術(shù)的不斷研究和不斷完善，目前在很多橋梁上都安裝了監(jiān)控/監(jiān)測系統(tǒng)。但依然還有很多問題需要完善和解決。例如，建設(shè)期的施工監(jiān)控和運(yùn)營期的安全監(jiān)測相互獨(dú)立，監(jiān)控/監(jiān)測信息具有不連續(xù)性。目前，大多數(shù)橋梁都已建設(shè)完畢，為了保證橋梁運(yùn)營安全，很多都是在已建橋梁上安裝運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)，但在已建橋梁上安裝運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能真實(shí)地反映系統(tǒng)安裝前橋梁的狀態(tài)，只能監(jiān)測橋梁在車輛、風(fēng)等荷載作用下的響應(yīng)，即只能通過活荷載的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對橋梁進(jìn)行安全評估，忽略了恒載對橋梁的評估，而恒載一般情況下占其總荷載的80%左右，這樣勢必造成橋梁評估準(zhǔn)確性降低。結(jié)合上文分析可知，建設(shè)期施工監(jiān)控和運(yùn)營期安全監(jiān)測監(jiān)控有很多相同之處，監(jiān)控/監(jiān)測系統(tǒng)基本相同。因此，可利用建設(shè)期的施工監(jiān)控對恒載響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，利用運(yùn)營期安全監(jiān)測對活載響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，把施工監(jiān)控和運(yùn)營監(jiān)測的傳感器結(jié)合起來，然后分析施工監(jiān)控和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，使得橋梁運(yùn)營期的安全監(jiān)測能夠反映橋梁的實(shí)際恒載響應(yīng)。

1.2.2 全壽命監(jiān)測技術(shù)

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)用的傳感器通常可分為埋入式傳感器和表貼式傳感器，埋入式傳感器主要應(yīng)用于新建橋梁的施工監(jiān)控，即在混凝土澆筑前預(yù)先在橋梁待監(jiān)測位置或在鋼結(jié)構(gòu)吊裝前安裝傳感器，針對混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)在橋梁修建前，這種方式是有效的，能夠很好地監(jiān)測橋梁恒載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但是也存在儀器在混凝土澆筑或鋼結(jié)構(gòu)吊裝時容易損壞等問題。而對于已修建橋梁，只能利用表貼式傳感器安裝在橋梁表面對其進(jìn)行監(jiān)測，但只能監(jiān)測活載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。而且隨著時間的增長，在惡劣的環(huán)境影響下，埋入式傳感器在使用期內(nèi)極易出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致大跨連續(xù)剛構(gòu)橋還未出現(xiàn)損傷而監(jiān)測傳感器卻已不能使用。針對埋入式傳感器在使用過程中無法更換等特點(diǎn)，在同一測點(diǎn)的同一監(jiān)測項(xiàng)目安裝埋入式傳感器和表貼式傳感器，分析埋入式傳感器與表貼式傳感器之間的關(guān)系，在埋入式傳感器損壞后，利用兩者之間關(guān)系，推導(dǎo)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的運(yùn)營狀態(tài)具有重要意義。具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

（1）在橋梁建設(shè)期間，在預(yù)定位置安裝埋入式傳感器，用于監(jiān)測橋梁施工及后期運(yùn)營期間狀態(tài)；并在橋梁建成之后，在埋入式傳感器對應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)表面安裝表貼傳感器，用于監(jiān)測橋梁活載信息。

（2）對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如刪除錯誤數(shù)據(jù)，對溫度進(jìn)行修正等。

（3）建立坐標(biāo)系，利用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以時間作為自變量，以埋入式和表貼式傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)作為因變量，并利用數(shù)學(xué)方法對埋入式和表貼式監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；建立回歸函數(shù)模型，利用相關(guān)關(guān)系曲線擬合，得到埋入式和表貼式監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性函數(shù)。

（4）對擬合的相關(guān)性函數(shù)利用數(shù)學(xué)方法對精度進(jìn)行檢驗(yàn)和對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

（5）在埋入式傳感器損壞后利用表貼式傳感器的時間—應(yīng)力曲線和相關(guān)性函數(shù)反推橋梁在運(yùn)營期的應(yīng)力—時間關(guān)系曲線。

2 結(jié)語

本文在分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測內(nèi)容、系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，利用施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測信息的相關(guān)性，提出大跨連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命監(jiān)測技術(shù)的理念，并闡述其原理、工作模式及其優(yōu)勢，旨在為同類工程提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]