論橋梁工程的質(zhì)量監(jiān)測及安全預警

楊艷飛

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

近年來，我國橋梁結(jié)構(gòu)安全事故頻發(fā)，究其原因與橋梁質(zhì)量監(jiān)測和維護保養(yǎng)工作落實不到位密切相關(guān)。鑒于此，橋梁質(zhì)量監(jiān)測逐步得到人們的重視，希望通過質(zhì)量監(jiān)測全面提升橋梁整體質(zhì)量，確保行車安全[1-3]。隨著我國科技水平的不斷提升，一些高科技技術(shù)被成功應用于橋梁質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域，如傳感技術(shù)、信號采集技術(shù)等，大大提升了橋梁質(zhì)量監(jiān)測的準確性和高效性[4-5]。該文先后針對橋梁質(zhì)量監(jiān)測及安全預警進行論述。

1 公路橋梁工程質(zhì)量監(jiān)測

1.1 質(zhì)量監(jiān)測的意義

結(jié)合我國公路橋梁安全事故居高不下的現(xiàn)狀，制定了科學有效的質(zhì)量監(jiān)測手段，該技術(shù)依托傳統(tǒng)監(jiān)測方式，全面融入現(xiàn)代高新技術(shù)手段，建立全天候連續(xù)性監(jiān)測系統(tǒng)，可實時獲得橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀況信息，并對采集到的各種數(shù)據(jù)信息實施匯總和分析，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)安全性及承載性能的綜合評估，進而制定出切實可行的維護措施，可供橋梁維護工作者參考。其具體意義如下：

（1）橋梁使用現(xiàn)狀檢測。橋梁質(zhì)量監(jiān)測能及時有效地采集和匯總橋梁各方面性能數(shù)據(jù)，為橋梁維護工作者提供數(shù)據(jù)參考，對橋梁使用狀況及承載性能做出評估和判定，及時找出質(zhì)量缺陷，對可能形成的安全隱患實施預警。同時，能將橋梁各構(gòu)件的實際性能準確反饋出來，便于工作人員及時維護檢修。

（2）確保施工安全和質(zhì)量。對公路橋梁實施定期檢測，能規(guī)避施工中存在的風險，確保施工安全和質(zhì)量。

（3）準確傳遞安全隱患預警信號。經(jīng)質(zhì)量監(jiān)測，能夠?qū)σ酝嚓P(guān)信息實施動態(tài)化分析，對橋梁運營狀態(tài)下的力學性能參數(shù)實施比較和匯集，以便在橋梁遭受較大偶然荷載、惡劣環(huán)境變化及重載事故時及時傳遞預警信號，從根本上消除安全隱患。

1.2 橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

橋梁質(zhì)量監(jiān)測根本目標是采取科學措施，實現(xiàn)對特殊氣候、交通狀況及非正常運營狀態(tài)下橋梁質(zhì)量評估，并及時進行危險預警，對橋梁工程實施科學合理的維修和養(yǎng)護，保證橋梁各方面性能滿足使用要求。

（1）橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)融合了多種高科技技術(shù)，是一種信息集成化系統(tǒng)，通過對橋梁結(jié)構(gòu)的性能檢測，收集橋梁相關(guān)信息，并實施自動分析，對損傷程度及部位進行準確識別。其在橋梁工程中的實際應用，有效排除了橋梁施工和運營過程中的安全隱患，極大地保證了人們的生命和財產(chǎn)安全。

（2）20世紀末，同濟大學相關(guān)專家學者對徐浦大橋運營質(zhì)量狀況實施全方位監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括主梁結(jié)構(gòu)撓度、混凝土應變、振動加速度、行車荷載以及橋梁外部環(huán)境溫度和濕度，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)建立了切合橋梁特征的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國首例橋梁運營狀態(tài)下的動態(tài)質(zhì)量監(jiān)測。

（3）橋梁實施監(jiān)測時，存在如下基本特征：1）重點對橋梁結(jié)構(gòu)的響應要素，如橋梁應變、線性及振動頻率等實施全方位監(jiān)測，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境因素，進一步加強監(jiān)測效果，同時實施交通荷載及鋼筋銹蝕監(jiān)測，以全面提高橋梁整體的監(jiān)測效果；2）監(jiān)測原始數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，應將施工監(jiān)測信息、橋梁荷載試驗信息、施工前有限元模型計算信息等全部輸入監(jiān)測系統(tǒng)，建立基本信息庫，作為后續(xù)橋梁安全性能監(jiān)測及評估的依據(jù)；3）實施質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)為主，人工檢測為輔的檢測機制，保證橋梁質(zhì)量監(jiān)測的及時性和準確性。

1.3 橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)信息庫

構(gòu)建橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)信息庫，對橋梁相關(guān)性能指標及數(shù)據(jù)信息實施全方位存儲，為相關(guān)技術(shù)人員后續(xù)維修和養(yǎng)護管理提供準確數(shù)據(jù)，保證橋梁使用安全。

（1）橋梁質(zhì)量監(jiān)測主要目的是以單位時間步長為間隔，對橋梁正常運營下的結(jié)構(gòu)性能實施動態(tài)監(jiān)測，采集主梁、橋墩、橋臺、橋面以及主塔等各組成結(jié)構(gòu)的力學性能參數(shù)，并對各構(gòu)件及整體性能實施綜合評估，具體監(jiān)測流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)測流程

（2）通過橋梁質(zhì)量監(jiān)測流程能夠看出，橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可劃分為三部分，即：信息庫管理、結(jié)構(gòu)性能評估、維修及養(yǎng)護管理，各部分獨立運行，又密不可分。實際應用時，工作人員可結(jié)合實際情況從任一環(huán)節(jié)著手啟動系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)、檢查記錄系統(tǒng)及維修加固記錄系統(tǒng)[6-7]。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)。應用此系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行保存，以便于為后續(xù)維修和養(yǎng)護工作提供信息參考。相關(guān)技術(shù)人員利用此系統(tǒng)，能夠及時準確獲取相關(guān)信息，有針對性地對橋梁結(jié)構(gòu)實施檢測和維護。

（4）檢查記錄系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)能對各種檢測信息實施匯總和分析，并將橋梁結(jié)構(gòu)的受力及位移情況用圖表形式展示出來。

（5）維修、加固記錄系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是用來記錄橋梁以往的維修加固處理情況，并保存歸檔?；緝?nèi)容主要有維修時間、部位、方法等，便于后期參考借鑒。

2 公路橋梁安全預警

2.1 安全預警監(jiān)測內(nèi)容

目前，我國公路橋梁日常維護工作任務(wù)繁重，傳統(tǒng)的人工巡查及維護形式已遠遠不能滿足日常維護工作的實際需求，因此，應結(jié)合智能化、系統(tǒng)化的技術(shù)方式，實現(xiàn)公路橋梁工程的自動化檢測和預警，降低維護人員工作量，并為維護工作提供技術(shù)支持。現(xiàn)階段，我國采用的橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)維護成本高、操作難度大，且存在較大的局限性，只用于大跨徑橋梁工程中。為此，該文結(jié)合公路橋梁傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，建立了適用性強、維護成本較低的安全預警監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)實際運行時，必須根據(jù)橋梁設(shè)計形式及結(jié)構(gòu)特征，合理確定監(jiān)測范圍，科學布設(shè)監(jiān)測點。總體而言，其監(jiān)測目標包括如下幾個環(huán)節(jié)：

（1）橋梁動態(tài)響應。針對該環(huán)節(jié)的監(jiān)測，具體包含結(jié)構(gòu)應力、位移和振動加速度等幾個方面。

（2）橋梁持續(xù)準靜態(tài)變化。這一方面重點針對橋梁基礎(chǔ)或橋墩變形、沉降實施的監(jiān)測。

（3）橋梁環(huán)境參數(shù)。該項內(nèi)容主要包括橋梁所處于的外部自然環(huán)境，如風力、氣溫、濕度等。

（4）橋梁運營荷載參數(shù)。此方面主要指的是行車荷載[8]。

2.2 安全預警監(jiān)測評估系統(tǒng)

目前，橋梁相關(guān)監(jiān)管機構(gòu)在具體執(zhí)行安全預警監(jiān)測評估系統(tǒng)時，通常結(jié)合監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取橋梁基本信息及使用情況，通過整理和分析，將其與橋梁質(zhì)量狀況評估閾值實施對比，結(jié)合三者之間的數(shù)據(jù)偏差對橋梁安全性能實施評估和判斷。所以，在建立該系統(tǒng)時，應合理確定和選擇評價指標及評價方式，并科學設(shè)計評價指標閾值。實際應用時，當監(jiān)測數(shù)據(jù)高于設(shè)計閾值，系統(tǒng)自動運行，開啟報警信號。

通常對橋梁使用情況實施安全評估，包括兩種形式，即：結(jié)合監(jiān)測信息直接評估和監(jiān)測信息動態(tài)變化量評估。直接評估主要是結(jié)合橋梁在具體時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁質(zhì)量狀況實施直接評估，對橋梁運營時的承載性能、耐久性、舒適性等進行全面了解；后者則是對橋梁結(jié)構(gòu)實施多次監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和初始值進行比較，并將存在的變化量和均方差限值實施對比，根據(jù)比較結(jié)果判定橋梁結(jié)構(gòu)安全性能是否符合標準要求。中小跨徑橋梁綜合評定流程如圖2所示。

圖2 中小跨徑橋梁綜合評定流程

2.3 安全預警監(jiān)測方式及理論

通過性能優(yōu)良的傳感設(shè)備，對橋梁結(jié)構(gòu)振動反應頻率實施采集，并通過專業(yè)技術(shù)實施分析，根據(jù)分析結(jié)果確定橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)指標。此外，運用隨機方式對環(huán)境荷載實施激振動力測試。常選擇重載車輛通行時剎車激振測試，通過這種檢測方式，工作人員能夠較為準確、全面地掌握橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力時程響應。其基本原理如圖3所示。

圖3 動力測試系統(tǒng)原理

橋梁工程安全預警監(jiān)測系統(tǒng)及養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)的相關(guān)性能實施綜合評估時，通常采取同步激振的方式完成。但實際操作時，由于現(xiàn)場環(huán)境影響，應盡量降低人工作業(yè)強度。橋梁激振一般是對自然條件下橋梁環(huán)境荷載和行車荷載實施監(jiān)測，有效確保成功完成自動化維護[9]。

2.4 合理設(shè)置橋梁安全預警監(jiān)測點

橋梁工程安全預警測點布設(shè)，應根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式及以上理論數(shù)據(jù)，通常采用橋梁結(jié)構(gòu)縱斷面布設(shè)法。設(shè)置形式如下：

（1）簡支梁。監(jiān)測點布設(shè)形式為4分跨設(shè)置，針對精度要求較高的大跨徑簡支梁，可采取6分跨間距設(shè)置。

（2）連續(xù)梁?？缍葹?跨時，根據(jù)簡支梁2跨共同設(shè)置；超過3跨，主跨和邊跨全部按照8分跨間距設(shè)置；若跨度小，精度要求低，則主跨可采用4分或6分跨設(shè)置。

（3）拱橋。通常根據(jù)橋梁跨度采取8分跨間距設(shè)置，測點布設(shè)形式為橫、豎向各1個，其余動態(tài)測點多于3個。

3 結(jié)論

近年來，我國的道路交通朝著大交通量、大荷載量方向發(fā)展，因此對公路橋梁結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求，加強公路橋梁質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)測及預警系統(tǒng)研究勢在必行。該研究全面結(jié)合傳統(tǒng)橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，融合計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息采集技術(shù)等高端科學技術(shù)，建立了適用性強、精確度高、功能更加全面的安全預警監(jiān)測內(nèi)容與評判系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建時，應全面貫徹科技自動化為主導的基本思路。此外，為更加準確、高效地對橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況實施監(jiān)測，該文針對不同結(jié)構(gòu)橋梁，分別闡述了安全預警測點的設(shè)置原則，以期能為工作人員提供參考和借鑒。