信息化監(jiān)控技術(shù)在高速公路橋梁周期性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

黃建云

（寧夏交投高速公路管理有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

當(dāng)前造成高速公路橋梁病害問(wèn)題的因素很多，包括主觀因素也包括客觀因素，各類(lèi)因素不僅會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)病害，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到道路的正常使用，也在封閉維修路段影響到施工人員以及駕駛?cè)藛T的人身安全。因此，在高速公路橋梁的建設(shè)階段，以及后期通車(chē)階段，不僅需要完成對(duì)橋梁的日常養(yǎng)護(hù)工作，同時(shí)還需要做好相應(yīng)的維修以及加固處理工作，這樣才能保證橋梁整體質(zhì)量符合相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前針對(duì)高速公路橋梁的養(yǎng)護(hù)大部分只在施工中進(jìn)行，無(wú)法結(jié)合橋梁建設(shè)的全周期提出合理的養(yǎng)護(hù)方案。同時(shí)，由于高速公路橋梁建設(shè)的環(huán)境復(fù)雜，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中獲取到的監(jiān)測(cè)信息無(wú)法為養(yǎng)護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而導(dǎo)致最終養(yǎng)護(hù)效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期理想目標(biāo)。信息化監(jiān)控技術(shù)在建設(shè)施工領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，為公路工程、建筑工程軟土地基等提供了更高精度的數(shù)據(jù)。因此，針對(duì)上述高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)中存在的問(wèn)題，該文嘗試引入信息化監(jiān)控技術(shù)，對(duì)其養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行研究。

1 工程概述

以某地區(qū)的高速公路橋梁作為案例，該橋梁設(shè)計(jì)跨度為24 m，橋面的寬度為16 m，該橋梁整體屬于典型簡(jiǎn)支T型橋梁結(jié)構(gòu)，單跨內(nèi)沿著橋面方向布置了4 道橫隔梁。該橋梁橋面采用瀝青混凝土材料澆筑而成，橋梁自完成施工后，運(yùn)營(yíng)至今已經(jīng)超過(guò)了12 年，為了保障橋梁后期運(yùn)營(yíng)中的安全，同時(shí)最大程度地延長(zhǎng)其使用壽命，針對(duì)該橋梁進(jìn)行周期性養(yǎng)護(hù)。

2 基于信息化監(jiān)控技術(shù)的橋梁周期性監(jiān)測(cè)平臺(tái)

世界各個(gè)國(guó)家的公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)快速地發(fā)展，尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于公路養(yǎng)護(hù)方面的技術(shù)成果已經(jīng)達(dá)到的世界前列，同時(shí)基于信息化監(jiān)控技術(shù)下的公路養(yǎng)護(hù)策略得到普及和應(yīng)用，這有效地提升了公路養(yǎng)護(hù)的效率，并降低了養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的投入成本。橋梁在疲勞、腐蝕及材料老化等多種因素作用下，結(jié)合日常運(yùn)行的受力，導(dǎo)致橋梁常出現(xiàn)開(kāi)裂和縫隙等病害，橋梁的養(yǎng)護(hù)與周期性檢測(cè)意義重大，在傳統(tǒng)思維中存在重視修建而輕視養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)象，一大批橋梁在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，在后期修補(bǔ)過(guò)程中又需要投入大量的資金成本。隨著我國(guó)橋梁數(shù)量不斷增加，人們也更加重視橋梁養(yǎng)護(hù)工作。橋梁存在使用壽命，與其他道路建設(shè)形式相比，橋梁又存在很大的差異性，在投入使用后即處于一種懸空的狀態(tài)，由于其負(fù)載能力比普通道路差，所以使用壽命比一般道路短，做好橋梁周期性的監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)工作，能夠有效地降低行車(chē)過(guò)程中安全事故的發(fā)生概率，提升橋梁的使用壽命，降低橋梁的損壞程度以及保障行駛?cè)藛T的生命安全。因此，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)橋梁初期病害，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示養(yǎng)護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。該文通過(guò)信息化監(jiān)控技術(shù)，將各類(lèi)傳感器布設(shè)在橋梁指定位置，獲取橋梁歷史及實(shí)時(shí)的受力數(shù)據(jù)，并利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器中進(jìn)行受力分析，根據(jù)橋梁實(shí)際需要確定周期性養(yǎng)護(hù)方案。因此，基于該特點(diǎn)，按照?qǐng)D1 所示的內(nèi)容，布置橋梁上各個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 橋梁上各受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

選取的5 個(gè)LZ-SWL9 型號(hào)單線圈結(jié)構(gòu)的振弦型傳感器均勻布置在橋面上，間隔為4.8 m。該傳感器的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 振弦型傳感器參數(shù)

確定傳感器型號(hào)、參數(shù)及安裝位置后，進(jìn)行傳感器安裝。應(yīng)用傳感器主要檢測(cè)混凝土基體表面應(yīng)變，可以將傳感器底座以表面黏貼、打孔注膠或打孔膨脹螺釘?shù)确绞桨惭b。地腳螺釘又可采用單釘、雙釘或者四釘?shù)确绞剑惭b底座可采用Y 型結(jié)構(gòu)或O 型結(jié)構(gòu)。在安裝傳感器后串接傳感器，主要是通過(guò)熔接光纖，保護(hù)熔接點(diǎn)的方式，具體步驟如下：1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量傳感器之間的距離，根據(jù)長(zhǎng)度截?cái)啻庸饫|。2）串接傳感器并進(jìn)行熔接點(diǎn)保護(hù)；3）傳感器安裝完成。利用傳感器獲取到各個(gè)測(cè)點(diǎn)上橋梁的受力信號(hào)，可利用傳感器測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的極限彎矩?cái)?shù)值，該數(shù)值能夠描述橋梁各測(cè)點(diǎn)承載能力。并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絎eb 服務(wù)器，在服務(wù)器中對(duì)受力數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換、濾波，再通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線或遠(yuǎn)程分析。相關(guān)信息化監(jiān)控平臺(tái)的研究成果較多，可以選取市面上應(yīng)用較為廣泛的、適用性較好的平臺(tái)租用。信息化監(jiān)控平臺(tái)是基于B/S 系統(tǒng)構(gòu)建的，主要分為物聯(lián)感知層、信息數(shù)據(jù)層、智慧應(yīng)用層和展現(xiàn)接入層，各層協(xié)同配合，可以對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其在查詢橋梁信息數(shù)據(jù)庫(kù)的請(qǐng)求時(shí)，需要經(jīng)過(guò)Web 服務(wù)器，雖然影響了響應(yīng)速度，但是分布性較強(qiáng)、開(kāi)發(fā)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，可以多端遠(yuǎn)程操作，并實(shí)時(shí)更新全部橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，完成信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用。由于高速公路橋梁病害信息的采集、分析、養(yǎng)護(hù)任務(wù)分派、加固施工、工程驗(yàn)收等均獨(dú)立實(shí)行，各環(huán)節(jié)之間關(guān)聯(lián)不緊密，高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)的工作流程脫節(jié)，易導(dǎo)致信息傳遞不通暢、不及時(shí)，影響?zhàn)B護(hù)工作效率和效果。因此，采用信息化監(jiān)控平臺(tái)，存儲(chǔ)并共享高速公路橋梁的基本信息、動(dòng)態(tài)信息、養(yǎng)護(hù)過(guò)程數(shù)據(jù)以及施工方信息等，對(duì)高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)進(jìn)行全壽命周期管理。

3 應(yīng)用信息化監(jiān)控平臺(tái)的高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)工藝

根據(jù)上述構(gòu)建的信息化監(jiān)控平臺(tái)獲取高速公路橋梁監(jiān)測(cè)信息，經(jīng)過(guò)平臺(tái)分析后輸出的橋梁重點(diǎn)受力處及縫隙出現(xiàn)的位置制定養(yǎng)護(hù)方案，進(jìn)行重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)。

3.1 排水養(yǎng)護(hù)

高速公路橋梁表面受到氣候的影響，遭到水的侵蝕，為了使橋梁排水固結(jié)更快速，并延長(zhǎng)橋梁橋面使用壽命，在橋梁路橋面結(jié)構(gòu)上可設(shè)置橫向或縱向的排水體結(jié)構(gòu)，并鋪設(shè)厚度為20 cm 的砂墊層，覆蓋填料，形成隱蔽結(jié)構(gòu)，從而將橋面的水引流，使其不會(huì)浸入橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，完成對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)排水。

3.2 加固養(yǎng)護(hù)

根據(jù)高速公路橋梁監(jiān)控信息確定橋梁重點(diǎn)受力位置，對(duì)重點(diǎn)部位在養(yǎng)護(hù)時(shí)采用外包混凝土加固法。該方法主要是增加構(gòu)件的截面以及配筋，提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，減少裂縫寬度。在環(huán)境條件允許的條件下，均可利用該方法加固梁橋、拱橋、剛架橋等。但需要注意的是，該方法會(huì)增加一部分橋梁的恒載質(zhì)量，因此，需要提前評(píng)估橋梁養(yǎng)護(hù)部分的結(jié)構(gòu)承載力是否滿足外包構(gòu)件的要求。在加固施工時(shí)，應(yīng)注意以下內(nèi)容：新澆筑的混凝土厚度在40 mm 以上，噴射混凝土?xí)r厚度需要在50 mm 以上，混凝土增強(qiáng)部位的受壓新澆混凝土厚度應(yīng)當(dāng)在150 mm以上，并且原處的混凝土表面須初步處理為凹凸深度在6 mm 以上的粗糙表面。為了進(jìn)一步提高高速公路橋梁的承載力，還可采取支撐加固的方式，在橋體底部設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，以此增加橋梁整體穩(wěn)定性。但這一養(yǎng)護(hù)工程屬于外露工程，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到車(chē)輛碰撞的影響，日常維修頻繁，會(huì)產(chǎn)生更大的養(yǎng)護(hù)成本。因此需要結(jié)合實(shí)際養(yǎng)護(hù)條件，對(duì)該養(yǎng)護(hù)方法酌情取舍。

3.3 縫隙養(yǎng)護(hù)

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)過(guò)程記錄的橋梁上不同分區(qū)的裂縫情況，主要包括裂縫產(chǎn)生的數(shù)量、裂縫產(chǎn)生后的長(zhǎng)度以及裂縫是否會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)等信息，確定橋梁伸縮縫病害情況。這也是造成橋梁質(zhì)量降低和使用壽命縮短的主要原因，針對(duì)該問(wèn)題，可按照?qǐng)D2 所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)化伸縮縫。

圖2 橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

在圖2 所示的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對(duì)伸縮縫不平整的問(wèn)題，可采用切、鑿等方式處理，必要時(shí)還可更換相關(guān)配件。

針對(duì)橋梁的上部結(jié)構(gòu)橫向位置上產(chǎn)生的病害問(wèn)題，首先需要確保去除板梁鉸縫，并將鋼筋結(jié)構(gòu)安裝在鉸縫中，通過(guò)植筋的方式連接相鄰2 個(gè)板梁結(jié)構(gòu)。完成連接后，再對(duì)2 個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接處理，焊接過(guò)程中需要確保焊接的鋼筋結(jié)構(gòu)與原本鋼筋規(guī)格完全相同。其次，針對(duì)錨固鋼筋結(jié)構(gòu)處理，將橋梁中原有的結(jié)構(gòu)預(yù)埋件保留，采用植筋的方式補(bǔ)齊。再增加鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最后完成對(duì)錨固環(huán)的焊接。

4 應(yīng)用分析

綜上所述，完成高速公路橋梁的養(yǎng)護(hù)工作。為了驗(yàn)證該方法實(shí)際應(yīng)用的效果，進(jìn)行結(jié)果分析。利用信息化監(jiān)控技術(shù)，對(duì)該受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)各個(gè)傳感器上獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得到表2 的記錄結(jié)果。

表2 中橋梁各個(gè)側(cè)點(diǎn)上的極限彎矩?cái)?shù)值可以直接反映橋梁的承載能力，極限彎矩?cái)?shù)值越大，則橋梁該位置上的承載能力越強(qiáng)；反之，極限彎矩?cái)?shù)值越小，則橋梁該位置上的承載能力越弱。已知該橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其極限彎矩?cái)?shù)值應(yīng)大于200.00 N·m，從表2 記錄的數(shù)據(jù)中可以看出，測(cè)點(diǎn)CG-01、CG-04、CG-06、CG-07、CG-10，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)上的極限彎矩?cái)?shù)值均沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在養(yǎng)護(hù)時(shí)，主要針對(duì)這5 個(gè)點(diǎn)及周?chē)鷧^(qū)域采取養(yǎng)護(hù)措施。在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，嚴(yán)格按照該文介紹的高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)工藝和加固施工方式完成養(yǎng)護(hù)施工。完成施工后，仍然利用該文的監(jiān)測(cè)方法測(cè)定各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上極限彎矩?cái)?shù)值，并對(duì)比施工前后上述五個(gè)測(cè)點(diǎn)的極限彎矩?cái)?shù)值，并得到如表3 所示的結(jié)果。

表2 橋梁養(yǎng)護(hù)前各測(cè)點(diǎn)極限彎矩?cái)?shù)值記錄表

表3 養(yǎng)護(hù)后橋梁各測(cè)點(diǎn)極限彎矩?cái)?shù)值記錄表

從表3 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，按照該文上述提出的養(yǎng)護(hù)方法對(duì)該橋梁養(yǎng)護(hù)后，各個(gè)養(yǎng)護(hù)后極限彎矩?cái)?shù)值不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)點(diǎn)，極限彎矩?cái)?shù)值得到了明顯的提升，并且能夠確保各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的極限彎矩?cái)?shù)值均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍。因此，通過(guò)上述結(jié)果能夠初步證明，應(yīng)用該文提出的養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)高速公路橋梁能夠促進(jìn)橋梁整體極限彎矩?cái)?shù)值的提升，進(jìn)而提升其承載能力。

完成上述測(cè)定后，在完成養(yǎng)護(hù)后，將橋梁平均劃分為5 個(gè)不同區(qū)域，記錄各個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生的裂縫數(shù)量，將得到如圖3 所示的結(jié)果。

從圖3 曲線可以看出，在按照該文上述提出的養(yǎng)護(hù)方法對(duì)其養(yǎng)護(hù)后，前三個(gè)區(qū)域均沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，而在第四個(gè)區(qū)域和第五個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的裂縫數(shù)量也僅為2 個(gè)和1 個(gè)，且最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)度僅為1.20 mm。該數(shù)據(jù)不會(huì)影響高速公路橋梁的正常運(yùn)行，對(duì)其受力也不會(huì)造成影響。針對(duì)存在裂縫的區(qū)域可通過(guò)該文上述加固方法加固處理。

圖3 養(yǎng)護(hù)后橋梁上裂縫情況對(duì)比

綜合上述得出的實(shí)例應(yīng)用結(jié)果可以看出，應(yīng)用該文提出的養(yǎng)護(hù)方法后，高速公路橋梁的承載力得到明顯提升，并且橋梁上各個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的裂縫數(shù)量也不會(huì)影響到橋梁的后期運(yùn)營(yíng)。將該養(yǎng)護(hù)方法應(yīng)用于實(shí)際可以有效延長(zhǎng)橋梁整體的運(yùn)營(yíng)使用壽命，保障公路橋梁上駕駛?cè)藛T的人身安全。

5 結(jié)語(yǔ)

高速公路橋梁對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有十分重要的意義，對(duì)此，該文引入了信息化監(jiān)控技術(shù)，對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際橋梁建筑驗(yàn)證該文養(yǎng)護(hù)方法的實(shí)例應(yīng)用效果。為了進(jìn)一步提高高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)效果，還需要對(duì)新材料、新工藝以及新技術(shù)等進(jìn)行不斷探索，確保各項(xiàng)工藝及關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可靠性，確保橋梁整體的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。