大跨度梁橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及其影響因素探究

仝 瑤

華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)概念的提出，基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)期安全性評(píng)估引起人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施趨于完善，交通運(yùn)輸需求的增加使得健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到道路、橋梁和隧道等基礎(chǔ)設(shè)施上，對(duì)保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速發(fā)展和國(guó)民的生命財(cái)產(chǎn)安全都有著重要作用。因此，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程的服役狀態(tài)進(jìn)行安全健康監(jiān)測(cè)是十分必要的［1］。通過(guò)提前將可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，可以起到提前預(yù)防的作用，不管從結(jié)構(gòu)本身安全，還是維護(hù)成本都具有重大意義。本文主要介紹了從應(yīng)變與撓度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)與溫度和濕度監(jiān)測(cè)三個(gè)方面進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

1 應(yīng)變與撓度監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)變形是最能直接反映出橋梁運(yùn)營(yíng)期間受力狀況的指標(biāo)之一，將直接反映出橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度。撓度是結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下的豎向變形，表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)的位置變化。因此，大跨徑鋼筋混凝土梁橋的應(yīng)變和撓度監(jiān)測(cè)對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

電阻應(yīng)變片是專(zhuān)門(mén)用于應(yīng)變測(cè)量的電子儀器，具有價(jià)格低廉、裝拆方便、操作便捷等特點(diǎn)，是目前實(shí)際工程中最常見(jiàn)測(cè)量應(yīng)變的儀器之一。它的作用機(jī)理是通過(guò)電阻絲的阻值變化和金屬絲的變形情況，將一些力學(xué)特性（載荷、應(yīng)力、壓力值等）轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)成比例的電學(xué)數(shù)值。

在進(jìn)行測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變之前，首先需要將橋梁的荷載類(lèi)型大致分為恒定荷載（自重）、活荷載（車(chē)輛、行人荷載）和隨機(jī)荷載（溫度效應(yīng)）［2］，通過(guò)電阻應(yīng)變片的使用，對(duì)橋梁受力較為集中的部位應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而做到對(duì)橋梁主梁的空間位置變化和受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［3］。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在構(gòu)件受力最復(fù)雜和局部變形最明顯的部位。一般情況下，應(yīng)變與撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取依據(jù)如下：

（1）由構(gòu)件受力特點(diǎn)確定控制節(jié)點(diǎn)。通常主梁跨中位置是變形最大的點(diǎn)，所以在這些位置都應(yīng)設(shè)置應(yīng)變與撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

（2）應(yīng)與不同橋型的橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配。由于結(jié)構(gòu)變形特征不同，需要根據(jù)具體的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境確定控制節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求。

2 振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)于橋梁的“聽(tīng)診器”，是影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要因素。加速度傳感器是用于測(cè)量物體加速度的最常見(jiàn)的儀器之一，通常被用作橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率測(cè)量。

理論上，傳感器數(shù)量越多，收集到的信號(hào)也就越完善，但實(shí)際工程中出于成本和造價(jià)的考慮［4］，傳感器數(shù)量往往十分有限，所以如何高效地對(duì)有限的傳感器進(jìn)行優(yōu)化布置，將直接影響信號(hào)收集的準(zhǔn)確性與完備性，進(jìn)而影響橋梁健康狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。在加速度傳感器優(yōu)化布置方面，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型復(fù)雜程度不同，加速度傳感器也有相應(yīng)的優(yōu)化布置：

（1）結(jié)構(gòu)各階模態(tài)向量之間要求不相關(guān)，即模態(tài)間相互正交，若實(shí)際操作中無(wú)法完全將理論指導(dǎo)應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量滿足模態(tài)正交要求；

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)本身靜力特性分析后確定，對(duì)各階模態(tài)下的位移進(jìn)行動(dòng)力特性分析，根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)，相應(yīng)確定傳感器的安置位置；

（3）視溫濕度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片的具體位置而定。

3 溫度和濕度監(jiān)測(cè)

橋梁的溫度和濕度，因大氣溫度變化、太陽(yáng)日照強(qiáng)度、季節(jié)變化等因素的變化而變化，由于主要構(gòu)件的溫度變形和溫度應(yīng)變，尤其是大跨度鋼筋混凝土梁橋的跨度較大且受力形式復(fù)雜（多次超靜定結(jié)構(gòu)），不同的溫度變化會(huì)引起大小不一的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，溫度差異過(guò)大時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)溫度應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的現(xiàn)象，對(duì)橋梁工作狀態(tài)造成十分嚴(yán)重的影響［5］。綜合以上分析，溫度和濕度監(jiān)測(cè)是影響橋梁健康的重要因素，對(duì)橋梁安全性至關(guān)重要。所以應(yīng)從測(cè)量精度、穩(wěn)定性、可靠度及普適性等方面，選擇合適的溫度和濕度傳感器［6］。具體布置位置應(yīng)按照以下原則：

（1）為獲取較為敏感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量選取溫度和濕度差異大、梯度層次顯著的位置，均布設(shè)溫度和濕度傳感器，并盡量反應(yīng)結(jié)構(gòu)橫向、縱向和豎向的溫度和濕度變化規(guī)律。

（2）對(duì)于單個(gè)重要構(gòu)件，需要對(duì)受力形式復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度和濕度監(jiān)測(cè)，傳感器布置點(diǎn)依然按照前述需求的位置。

（3）由于橋梁服役期間所處的溫度和濕度環(huán)境較為復(fù)雜，所以應(yīng)選取較為關(guān)鍵主梁、橋墩等主要受力構(gòu)件設(shè)置多個(gè)溫度和濕度測(cè)點(diǎn)，從整體上分析溫度和濕度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，由于結(jié)構(gòu)老化、材料徐變、鋼筋銹蝕等原因，橋梁安全事故頻繁發(fā)生，因此對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)評(píng)估，尤其是大跨度鋼筋混凝土梁橋，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文首先從應(yīng)變與撓度、振動(dòng)頻率與溫度和濕度這三個(gè)方面，對(duì)鋼筋混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)健康影響因素進(jìn)行分析，并介紹了不同測(cè)量元件的作用機(jī)理和適用環(huán)境，然后對(duì)儀器使用方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，最后給出各個(gè)測(cè)量元件的布置準(zhǔn)則，對(duì)大跨度鋼筋混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。