大跨度軌道斜拉橋健康監(jiān)測問題思考與對策

曹文劍

（重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400000）

關(guān)鍵字：大跨度斜拉橋；健康監(jiān)測；對策

0 引言

橋梁的健康問題，一直都是橋梁工程當(dāng)中十分注重的問題。大跨度斜拉橋梁，具有跨度大，結(jié)構(gòu)形式美觀等特點。橋梁健康監(jiān)測最早起源于1950年代。通過幾十年的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測已經(jīng)逐漸形成為一門專業(yè)學(xué)科，涉及到橋梁的設(shè)計、施工、運行全過程監(jiān)測，極大的保障了橋梁專業(yè)的高速發(fā)展。對于傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測問題而言，受制于技術(shù)設(shè)備的限制，橋梁的健康監(jiān)測存在著許多的缺陷和不足，例如監(jiān)測精度不夠、橋梁損傷判斷不夠科學(xué)等等。本文通過對這些存在的問題一一展開討論分析，指出相應(yīng)的改進措施和建議。

1 橋梁健康監(jiān)測

1.1 橋梁健康監(jiān)測概念

橋梁的健康監(jiān)測是指通過相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備對橋梁的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，然后通過對監(jiān)測的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)進行計算分析，判斷出橋梁的健康狀態(tài)，損傷情況。對于大跨度斜拉橋梁的健康監(jiān)測而言，其主要監(jiān)測內(nèi)容就是對斜拉橋的主要結(jié)構(gòu)，如拉索、橋墩等進行整體的無損監(jiān)測。無損監(jiān)測就是不破壞橋梁的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，通過在橋梁表面的關(guān)鍵部位布置各種監(jiān)測傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控，然后通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的運行狀態(tài)和損傷的程度、可靠性和耐久性、承載力進行計算評估和分析。

1.2 大跨度斜拉橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容

大跨度斜拉橋梁的健康監(jiān)測具有外表觀察、幾何尺寸的檢查、支座檢查、斜拉索的應(yīng)力監(jiān)測等等內(nèi)容。詳細如下：

(1)橋梁觀測的檢查：通過直接的視覺觀察法對斜拉橋梁的外觀進行觀察檢查。這個環(huán)節(jié)主要是檢查橋梁的外露的混凝土表面是否出現(xiàn)了分化、剝落、破損和裂縫等情況。對出現(xiàn)的混凝土的裂縫進行重點觀察測量，通過計算分析判斷其裂縫寬度是否能夠滿足規(guī)范要求，同時也需要對裂縫處的鋼筋的銹蝕情況展開監(jiān)測并及時的進行處理；

(2)橋梁幾何尺寸的檢查：對于橋梁的幾何尺寸的檢查是指對斜拉橋梁的上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸進行測量，記錄其尺寸的變化。重點對橋梁的上部伸縮縫的張開度進行監(jiān)測，時刻關(guān)注其變化情況；

(3)斜拉橋梁的受力狀態(tài)十分的復(fù)雜，對其橋梁的截面進行控制監(jiān)測，時刻關(guān)注其截面的變化情況；

(4)對斜拉橋梁的墩臺、基礎(chǔ)、支座和接頭的連接部位的轉(zhuǎn)角、位移以及支座反力進行監(jiān)測；

(5)對斜拉橋梁的預(yù)應(yīng)力拉索的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測；

(6)記錄斜拉橋在正常的運營條件下的結(jié)構(gòu)位移、振動等數(shù)據(jù)；

(7)記錄溫度(氣溫和結(jié)構(gòu)溫度)、風(fēng)載參數(shù)(風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)壓等)、冰層厚度和水文資料等。

1.3 橋梁健康監(jiān)測應(yīng)用情況

橋梁工程發(fā)展已經(jīng)具有數(shù)百年的歷史，由于以往的橋梁具有結(jié)構(gòu)形式簡單，跨度小等特點，人們對其健康監(jiān)測并沒有引起足夠的重視。近年來隨著橋梁工程的發(fā)展，大跨度斜拉橋梁逐漸成為大型橋梁的首選橋型。近年來，由于斜拉橋梁的健康監(jiān)測的缺失帶來了大量的斜拉橋的病害突發(fā)，造成了許多的經(jīng)濟損失。因此，橋梁的健康監(jiān)測越來越受到世界各國的重視。目前，橋梁的健康監(jiān)測無論是監(jiān)測方法還是健康監(jiān)測體系都逐漸發(fā)展成熟起來，取得了巨大的成就，受到世界各國的廣泛的認可。

2 大跨度斜拉橋梁健康監(jiān)測的重要性

對于大跨度的斜拉橋梁而言，其具有體型輕柔，結(jié)構(gòu)形式簡單等特點。目前斜拉橋梁正在朝著結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜化的方向發(fā)展，這也就造成了斜拉橋梁的施工越來越復(fù)雜。因此，大跨度的斜拉橋梁的運營狀態(tài)的監(jiān)控具有非常重要的作用和意義。對于大跨度的斜拉橋梁的監(jiān)控而言，其需要貫穿于整個橋梁設(shè)計、施工、運行狀態(tài)。因為斜拉橋梁的建設(shè)是一個十分漫長復(fù)雜的過程，在整個建設(shè)期間需要經(jīng)歷多次的結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中，橋梁的結(jié)構(gòu)很容易在外界的影響下發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，大大的降低橋梁的結(jié)構(gòu)安全性。另外一個方面，斜拉橋具有較為復(fù)雜的施工工藝和方法，對施工過程的監(jiān)控量測具有較高的要求。例如，如果在主梁施工時采用的施工工藝不當(dāng)，就會造成橋梁主梁內(nèi)力分布不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣就會大大的加快橋梁的老化速度，降低橋梁的使用壽命。嚴重時甚至?xí)斐蓢乐氐氖┕ぐ踩鹿?；除了橋梁的施工階段需要進行橋梁的狀態(tài)監(jiān)測外，橋梁的運營階段也需要進行橋梁的健康監(jiān)測。因為橋梁的正常運營環(huán)境非常的復(fù)雜，在外界環(huán)境和車輛荷載等因素的影響下非常容易出現(xiàn)橋梁的病害，降低橋梁的力學(xué)性能和安全性能。

因此，為了保障大跨度斜拉橋梁在施工和運行階段的安全，必須對大跨度的斜拉橋進行全壽命的健康監(jiān)測。所謂的全壽命健康監(jiān)測是指從大跨度斜拉橋梁的施工、成橋以及運營階段進行健康的監(jiān)測。對于大跨度的斜拉橋梁無論是從橋梁的建設(shè)、運營的安全管理角度，還是后期維修加固的經(jīng)濟性角度都具有十分必要的現(xiàn)實意義。

3 大跨度斜拉橋健康監(jiān)測存在的問題及優(yōu)化措施

隨著我國大跨度斜拉橋梁總里程數(shù)量不斷增加，大跨度斜拉橋梁的健康監(jiān)測問題越來越受到關(guān)注和重視。但是由于我國的大跨度斜拉橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)工作起步較晚，其中許多的先進技術(shù)還處于試驗探索階段，目前仍然還存在著許多的問題和不足。本文通過查閱相關(guān)文獻[2-3],總結(jié)分析出了斜拉橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方面存在的以下問題和不足：

3.1 現(xiàn)有健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度不夠

對于斜拉橋梁的健康監(jiān)測，首先就是要對其位移變形等數(shù)據(jù)進行精確的觀察監(jiān)測。而對于橋梁的位移監(jiān)測，目前主要采用的是全站儀進行監(jiān)測。但是目前的全站儀最好的精度只能夠達到1mm,測角精度為0.5 秒。而對于橋梁的應(yīng)變而言，其測量的精度只能夠達到3x10-6～5x10-6。這樣的數(shù)據(jù)采集精度卻不能夠滿足大跨度斜拉橋的監(jiān)測要求。試驗研究表明，這樣的監(jiān)測精度會造成拉索的內(nèi)力的監(jiān)測結(jié)果存在上下約3%的誤差，橋梁的振動頻率會具有1%的測量誤差?？梢圆捎酶酉冗M的監(jiān)測儀器，同時結(jié)合對測量點的布置和計算方法進行優(yōu)化，來彌補由于測量精度不足帶來的監(jiān)測誤差。

3.2 結(jié)構(gòu)損傷識別缺乏系統(tǒng)認識

通過橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析，判斷橋梁的結(jié)構(gòu)損傷大至的位置、形式、程度，進而判斷橋梁的安全性能。但是對于大跨度的橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析而言，其所謂的“安全”只是一個相當(dāng)含糊的概念。這樣就造成了目前還沒有形成一個結(jié)構(gòu)的損傷識別的系統(tǒng)性認識。對于這一問題，首先需要建立起符合相關(guān)規(guī)范的健康損傷指標，加強對橋梁的各結(jié)構(gòu)的工作特性之間的相互關(guān)系的研究，建立起一個準確的結(jié)構(gòu)損傷的判斷標準。

3.3 數(shù)據(jù)存儲和傳輸問題

對于大跨度的軌道交通斜拉橋梁而言，監(jiān)測點點位間距較大。各監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，顯然只能采用無線傳輸?shù)姆绞竭M行。但是目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)的如何高效傳輸和儲存還是一個亟待解決的問題。采用更加科學(xué)高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行分類儲存管理是解決這個問題的關(guān)鍵措施。

4 結(jié)束語

對于大跨度軌道斜拉橋的健康監(jiān)測，需要建立起橋梁的全壽命的健康監(jiān)測系統(tǒng)。本文通過對斜拉橋梁的健康監(jiān)測的概念和應(yīng)用情況進行分析，指出了目前存在著一些問題和不足，提出了一些個人的意見和改進措施。為提高我國的斜拉橋梁的健康監(jiān)測行業(yè)的發(fā)展提供一些參考性意見。