淺析系桿拱橋的健康監(jiān)測方法

譚二軍

摘要：橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心任務(wù)是獲得環(huán)境、荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對監(jiān)測信息進行綜合評估的基礎(chǔ)上獲得行車和結(jié)構(gòu)的雙重安全狀態(tài)信息，為結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的安全、高效、經(jīng)濟運營提供成套技術(shù)支持。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，從現(xiàn)場采集的數(shù)包括不同測點的位移、應(yīng)變、加速度、和環(huán)境激勵等數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量隨時間的變化不斷增加。這表征不同空域和時間域的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息的載體，充分利用數(shù)據(jù)所包含的信息對精確評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是至關(guān)重要的，因此針對不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式制定不同的監(jiān)測方法。 本文以某橋全長537.4m，橋面寬18m，行車道寬14m，兩側(cè)人行道寬2m的系桿拱橋的健康監(jiān)測方法為例進行作健康監(jiān)測方法分析。

Abstract： The core task of the bridge health monitoring system is to obtain environmental， load and structural response， local damage and other information. Based on the comprehensive evaluation of the monitoring information， the dual safety status information of the driving and structure is obtained， which provides efficient technical support for efficient and economic operation of the structure. In the structural health monitoring system， the number collected from the field includes data such as displacement， strain， acceleration， and environmental excitation of different measuring points， and the amount of data changes with time. This indicates that the real-time monitoring data of different airspace and time domains is the carrier of the bridge structure health status information. Making full use of the information contained in the data is crucial for accurately assessing the health status of the bridge structure. Therefore， different monitoring methods are formulated for different types of bridge structures. In this paper， the health monitoring method of a bridge with a total length of 537.4m， a bridge width of 18m， a lane width of 14m and a sidewalk width of 2m on both sides is taken as an example for health monitoring.

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；溫濕度；線形；吊索力；內(nèi)力；結(jié)構(gòu)

Key words： wind load；temperature and humidity；linear shape；sling force；internal force；structure

中圖分類號：U446 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0202-03

1 風(fēng)荷載監(jiān)測

風(fēng)荷載是大型橋梁的荷載源之一，采用風(fēng)速風(fēng)向儀實時監(jiān)測系統(tǒng)能及時了解橋址處環(huán)境風(fēng)力、風(fēng)向變化情況，為分析橋梁的工作環(huán)境、評價行車安全狀況、提供養(yǎng)管信息、驗證橋梁風(fēng)振理論，以及研究極限風(fēng)環(huán)境下的大橋工作狀況提供了依據(jù)。通過采集三個正交方向的風(fēng)速時間歷程；繪制平均風(fēng)和陣風(fēng)的風(fēng)玫瑰圖，繪制風(fēng)向-風(fēng)速圖，求出并繪制梯度風(fēng)和陣風(fēng)的剖面；計算三秒陣風(fēng)風(fēng)速、一分鐘平均風(fēng)速、十分鐘平均風(fēng)速及一小時平均風(fēng)速；計算風(fēng)紊流強度、風(fēng)譜、幅譜及相關(guān)性；找出安裝了位移、加速度等傳感器的橋梁響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系，以及構(gòu)件應(yīng)變與風(fēng)參數(shù)的關(guān)系。

采用風(fēng)速風(fēng)向儀實時連續(xù)監(jiān)測，采樣頻率5Hz。實時監(jiān)測部署位置的環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。為監(jiān)測大橋在風(fēng)環(huán)境下的工作狀態(tài)提供數(shù)據(jù)，為分析橋梁在風(fēng)環(huán)境下的狀態(tài)、行車安全、驗證橋梁風(fēng)振理論提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱大橋的結(jié)構(gòu)特點及經(jīng)濟實用的原則，宜在主跨跨中橋面上游布置1個測點，并用1個風(fēng)速風(fēng)向儀進行監(jiān)測。

2 溫濕度監(jiān)測

大氣溫濕度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測重要內(nèi)容。大橋采用箱梁，監(jiān)測箱梁內(nèi)溫濕度也非常重要，運營期養(yǎng)護工作中，就需要經(jīng)常進行箱梁溫濕度檢測。通過采集橋面及箱梁內(nèi)大氣溫度及相對濕度參數(shù)，統(tǒng)計出每小時、每天、每月、每年的大氣溫度及相對濕度值及其變化，繪制出時間歷程趨勢圖。

采用溫濕度計實時連續(xù)監(jiān)測，采樣頻率每1分鐘采樣一次。實時監(jiān)測測點位置的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。為分析橋梁在環(huán)境溫度下結(jié)構(gòu)受力和變形、結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點及經(jīng)濟實用的原則，應(yīng)用1個溫濕度計在主跨跨中橋面上游布置1個測點進行監(jiān)測。

3 主梁線形監(jiān)測

實時監(jiān)測大橋主梁撓度/線形變化，研究撓度變化與環(huán)境變化（風(fēng)、溫度、交通荷載）的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評估提供資料。根據(jù)系桿拱橋設(shè)計資料，該橋主跨跨徑大，而主梁撓度是評價主梁以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須檢測的內(nèi)容。

采用靜力水準(zhǔn)儀連續(xù)采集，滿足同步測量要求，采樣頻率1Hz，監(jiān)測主梁在荷載作用下的豎向變形，評判主梁長期線形變化情況，為主梁工作狀態(tài)的評定提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，宜選取主橋6分點截面（不含拱腳），共計5個截面，上下游各布置1個測點，共計10個測點。同時在橋面的主拱座處上下游各布置水準(zhǔn)測量基站，用12個靜力水準(zhǔn)儀對主梁撓度/線形進行長期實時監(jiān)測。

4 吊索力監(jiān)測

吊索是大橋最重要的構(gòu)件之一，而索力是評價索以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須監(jiān)測的內(nèi)容，同時吊索風(fēng)致振動監(jiān)測也是非常重要的。目前進行索力測度方法很多，有通過壓力傳感器測試驗的直接方法，有通過測試振動信號得到索的固有頻率的振動法，有通過光纖傳感器測試索的應(yīng)變值得到索力的方法。本橋系統(tǒng)采用加速度傳感器連續(xù)監(jiān)測部分索的索力。使用振動法將測得的加速度值計算出頻譜能夠較準(zhǔn)確地測量出索力，從而達到實時掌握吊索的拉力情況，為評估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)的目的。

采用光纖光柵加速度計實時在線監(jiān)測，采集頻率為50Hz，實時監(jiān)測橋梁運營期間吊索索力的變化規(guī)律，通過對比分析成橋狀態(tài)時吊索的力學(xué)性能，定期對吊索的安全狀態(tài)作出評估，為預(yù)警系統(tǒng)中閾值的設(shè)定、調(diào)整提供參考，及時對吊索的病害進行處理，避免索力重分布對整座橋梁造成的不利影響。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，宜選取相對數(shù)量（一般10對以上）的吊索，上下游對稱布置。2倍數(shù)量的光纖光柵加速度計，對吊索索力進行長期實時監(jiān)測。

5 系桿內(nèi)力監(jiān)測

系桿作為系桿拱橋的主要受力構(gòu)件，起著平衡主拱水平推力、降低支座水平反力的作用。同時，系桿內(nèi)力相當(dāng)于箱拱結(jié)構(gòu)的整體預(yù)應(yīng)力，可明顯地改善該結(jié)構(gòu)的豎向變形特性，對保證橋面行車平順性有著不可忽視的作用。因此，將新城大橋系桿索力納入到監(jiān)測內(nèi)容，通過實時監(jiān)測系桿內(nèi)力變化，把握大橋整體運營狀態(tài)。

采用光纖光柵加速度計實時在線監(jiān)測，采集頻率為50Hz，實時監(jiān)測橋梁運營期間系桿索力的變化規(guī)律，通過對比分析成橋狀態(tài)時系桿的力學(xué)性能，定期對系桿的安全狀態(tài)作出評估，為預(yù)警系統(tǒng)中閾值的設(shè)定、調(diào)整提供參考，及時對系桿的病害進行處理，避免索力重分布對整座橋梁造成的不利影響。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，宜對四組系桿均進行監(jiān)測。由于系桿長度較大，沿橋梁縱向布置的系桿限位器等可能造成系桿內(nèi)力沿通長方向分布不均，系桿索力監(jiān)測時選取了主拱兩端同時進行，避免單側(cè)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)極小而不利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測。可用15～20個單向加速度計對系桿索力進行長期實時監(jiān)測。

6 伸縮縫變形監(jiān)測

系統(tǒng)監(jiān)測主橋主梁的縱向位移與轉(zhuǎn)角，為評估風(fēng)荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據(jù)。同時橋梁進入運營階段，伸縮縫/支座是易于損壞的構(gòu)建，實時監(jiān)測伸縮縫/支座處的位移，能夠了解支座位移/主梁整體變形情況。由于主橋主梁是一個整體，為提高效率節(jié)省資源，支座位移與伸縮縫位移可合并監(jiān)測，能達到同樣效果。

采用位移計監(jiān)測，采樣頻率1Hz，通過對梁體縱向位移的監(jiān)測，實時評估伸縮縫裝置以及梁端支座是否處于彈性工作階段，及時根據(jù)其數(shù)值變化對伸縮縫進行檢查和清理，并統(tǒng)計支座累計變形量值，為主梁的整體變形能力和結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估提供參考。滿足實時測量要求，根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)在主梁兩端上下游各布置1個測點，共計4個測點，對支座位移/主梁整體變形進行長期實時監(jiān)測。

7 結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測的目的是了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評價結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。箱梁的損傷對橋梁使用性能的影響是直接的，對箱梁重要的、有代表性的斷面進行應(yīng)力監(jiān)測，可以了解作為主要承力構(gòu)件的箱梁的受力狀態(tài)，及時診斷橋梁的病害、控制車輛荷載測驗及對橋梁結(jié)構(gòu)進行疲勞分析是必要的。

采用光纖應(yīng)變計采樣頻率10Hz，通過對應(yīng)變數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出結(jié)構(gòu)對于不同荷載的響應(yīng)程度，與理論分析結(jié)果一同作為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估的依據(jù)。結(jié)合其他監(jiān)測項目進行“異?！睌?shù)值的原因排查，及時對構(gòu)件的損傷或病害區(qū)域采取維護措施。滿足各測點的量程要求，環(huán)境要求，根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)選取上下游4個拱腳的兩側(cè)桁拱架，共計8個截面，每個截面布置4個測點，共計32個光纖應(yīng)變計對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進行長期實時監(jiān)測。

8 結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測

大橋結(jié)構(gòu)溫度變化是大型橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測能了解橋址處環(huán)境溫度場的實時變化，以及大橋主要構(gòu)件的溫度及溫度梯度情況，為分析結(jié)構(gòu)的受力和變形提供依據(jù)，并用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析。根據(jù)采集的參數(shù)，統(tǒng)計出每小時、每天、每月、每年的溫度值及溫差；繪出溫度時間歷程的趨勢變化。

采用光纖溫度計連續(xù)監(jiān)測溫度，數(shù)據(jù)連續(xù)存儲，每1分鐘采樣一次，對于結(jié)構(gòu)溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，得出較長周期內(nèi)穩(wěn)定的溫度分布情況。進行結(jié)構(gòu)溫度關(guān)于主梁整體變形、結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力水平等的單參數(shù)分析，得出溫度變化對于結(jié)構(gòu)各項力學(xué)特征值的影響程度。通過溫度與變形、應(yīng)變的關(guān)聯(lián)性分析，得出不同力學(xué)特征值之間的聯(lián)系。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，考慮溫度測點與結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測測點保持一致，全橋共計32個光纖溫度計，對結(jié)構(gòu)溫度進行長期實時監(jiān)測。

9 結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測

實時監(jiān)測大橋主橋主梁在風(fēng)、交通、地震等作用下引起的振動加速度響應(yīng)，評估結(jié)構(gòu)的整體動力特性，為橋梁結(jié)構(gòu)整體健康狀況評估、驗證大橋設(shè)計理論及運營管理提供依據(jù)。采用光纖光柵單向加速度計，采樣頻率為20Hz，根據(jù)較長周期監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得出橋梁正常運營期間的基頻變化情況以及不同方向的振動位移峰值，并結(jié)合其他類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時有效地對橋梁的工作狀態(tài)作出評估，確保結(jié)構(gòu)的安全運營。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點，對于主拱，至少選取8分點截面，共計7個截面，上下游各布置1個測點，共計14個單向加速度計；對于主梁，選取8分點截面，共計7個截面，上下游各布置1個測點，共計14個單向加速度計對主供及主梁動力特性進行長期實施監(jiān)測。

10 環(huán)境腐蝕監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進行環(huán)境腐蝕的測點布置，選擇腐蝕較嚴重或易于腐蝕、結(jié)構(gòu)受力較為關(guān)鍵的吊桿錨頭布置測點，確定測點數(shù)目一般宜3～6個。環(huán)境腐蝕監(jiān)測采用自動化采集設(shè)備連續(xù)監(jiān)測，宜每1小時采集一次數(shù)據(jù)。

11 結(jié)語

由于橋梁在建設(shè)期可能存在的初始結(jié)構(gòu)缺陷，以及在運營管理中由于監(jiān)測和養(yǎng)護管理不足，在超載或其他災(zāi)害性突發(fā)荷載作用下，一些橋梁出現(xiàn)倒塌和破壞事故，造成了重大的生命和財產(chǎn)損失，因此為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和耐久性，亟須對已使用的在型橋梁采用有效的手段來監(jiān)測和評估其損傷程度和安全全狀態(tài)。

參考文獻：

[1]CECS 333-2012，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB50982-2014，建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JT/T 1037-2016，公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]《高速公路監(jiān)控技術(shù)要求》2012年第3號公告.

[4]郭健.大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)及損傷識別理論[M].人民交通出版社，2013.