大跨度橋梁運營期監(jiān)測技術(shù)研究

唐 穎

目前，國內(nèi)外已經(jīng)或正在興建許多不同類型的大跨度橋梁。大跨度橋梁以柔和輕為主要特點，對反復作用的交通荷載、脈動風荷載等較為敏感，局部構(gòu)件易產(chǎn)生疲勞失效等病害，若不及早偵查和修復，會給后期維護加固帶來很大麻煩，甚至會導致整體橋梁安全事故。為了解大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在運營期的結(jié)構(gòu)健康狀況變化和評估其安全使用性能，橋梁工程師在許多大跨度橋梁上引入系統(tǒng)化的健康監(jiān)測與評估技術(shù)。

1 監(jiān)測依據(jù)與內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和安全評估應與橋梁結(jié)構(gòu)的設計承載能力和極限狀態(tài)相關(guān)。我國JTG D60-2004公路橋涵設計通用規(guī)范明確了公路橋涵應進行承載能力極限狀態(tài)(Ultimate Limite State，ULS)和正常使用極限狀態(tài)設計(Service Limite State，SLS)，故應將兩種極限狀態(tài)作為橋梁健康監(jiān)測與評估工作的法理依據(jù)。因此，傳感器和其相關(guān)設備的設計監(jiān)測范圍應在SLS的變化幅度之內(nèi)，而ULS荷載指標則用于結(jié)構(gòu)安全評估時作為構(gòu)件的損傷或失效狀況的參考指標[1，2]。因此，若 σm為監(jiān)測結(jié)果，而 σSLS為正常使用極限狀態(tài)指標。

2 監(jiān)測技術(shù)

2.1 風速風向監(jiān)測

實時監(jiān)測橋址處風速和風向的變化情況，掌握橋梁處風特征和橋梁風荷載，記錄和分析平均風速、風向、紊流強度、風譜。為分析橋梁的工作環(huán)境、評價行車安全、驗證橋梁風振理論提供依據(jù)，并研究大橋在極限風環(huán)境下的工作狀況。橋梁監(jiān)測中風速儀一般分超聲波和機械式兩種類型，其特性對比如表1所示。

表1 風速儀對比

大跨度橋梁一般在主梁和索塔上布設風速風向儀。主梁上的風速由于需要監(jiān)測三個方向，故采用三維風速風向儀，三維風速風向儀可選用三維超聲風速儀，也可通過二維水平機械式和一維豎向機械式進行組合。索塔上采用二維風速風向儀監(jiān)測水平方向風速風向。

2.2 溫度監(jiān)測

溫度變化是大跨度橋梁的重要作用源之一，常引起大的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測的重要內(nèi)容。長期監(jiān)測中目前常采用光纖光柵溫度傳感器，具有可分布式測量、耐久性好等優(yōu)點，但其價格昂貴，且由于封裝和安裝原因直接測試結(jié)構(gòu)溫度精度不高。武漢橋科院基于數(shù)字化溫度傳感器開發(fā)了一線總線溫度測試系統(tǒng)。該溫度測試系統(tǒng)由于采用數(shù)字信號采集傳輸，數(shù)據(jù)不會失真，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，同時大大減少了系統(tǒng)的電纜數(shù)，更保證了溫度測量的同步性，且感溫元件的制作精度高，傳感器也無須另外標定。通過多座實橋測試的實踐檢驗，該溫度測試方法具有精度高、性能穩(wěn)定、測試方便快捷等優(yōu)點。

2.3 車輛荷載監(jiān)測

動態(tài)稱重是在汽車的運動狀態(tài)下稱出汽車的重量。

鑒于用戶需求和現(xiàn)行技術(shù)狀況，1990年德克薩斯大學起草了ASTM E1318標準并通過美國試驗及材料協(xié)會(ASTM)標準委員認定[3，4]。從傳感元件角度出發(fā)對它們加以分類，可分為壓電式、電容式、應變式。關(guān)于壓電式，壓電材料靈敏度隨時間有些變化、需經(jīng)常標定、速度低時誤差較大;關(guān)于電容式，長時間使用后電容器內(nèi)填充介質(zhì)易變形，需重新校正;關(guān)于應變式，易受電磁干擾，對路面損耗大、高速精度不高、價格高。橋梁健康監(jiān)測稱重儀主要用于交通數(shù)據(jù)的采集，屬于ASTM E1318標準的Ⅰ類，對測試精度要求不高。綜合比較各類型稱重傳感器的特點，建議在車輛運行比較緩慢的城市橋梁監(jiān)測中宜采用應變式的彎板稱重儀，而高速公路橋梁則可以考慮選擇壓電薄膜等稱重傳感器。

2.4 變形監(jiān)測

位移測量與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，位移反映結(jié)構(gòu)的整體特征。橋梁撓度是監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，以確保橋梁具有足夠的剛度。

一般而言，為了能監(jiān)測到橋梁的撓度，需要在橋梁的不同部位安裝合適的傳感器。目前測試儀器按其工作原理可分為機械測試儀器，如百分表、千分表、張線式位移和撓度計等。近年來涌現(xiàn)了一些新型撓度測量方法，如光電成像法、傾角儀、GPS、激光圖像法、連通管法等。這些方法與傳統(tǒng)的方法相比，有很大的改進，且有的能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁撓度的實時監(jiān)測。目前在監(jiān)測中常用GPS和連通管的方式進行監(jiān)測。GPS能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁動態(tài)實時、自動測量。但是其精度不高，不能滿足中小跨度橋梁監(jiān)測的要求，一般用于大跨度變形較大的橋梁，且不能很好的監(jiān)測橋面板以下墩的位移(如支座沉陷)。因此使用有一定的限制性，且價格過于昂貴。連通管法是將面積相對較大的容器放置在橋墩固定不變的位置上，連通管連接主梁中若干撓度計。當橋梁在某點發(fā)生豎向變形Δh時，安置在該點的撓度計也隨之在豎直方向下移Δh。測量精度可以達到1 mm，在陽邏長江大橋就使用了這個撓度監(jiān)測系統(tǒng)。

2.5 應力監(jiān)測

傳統(tǒng)上，橋梁結(jié)構(gòu)應力應變測量所采用的技術(shù)模式基本都是通過敏感元件(如電阻應變片、基于鋼弦的振弦式應變計)將被測量轉(zhuǎn)換成電學量，再通過專用的電學量測量儀器(如數(shù)據(jù)采集器)記錄數(shù)據(jù)(測量結(jié)果)。這種模式的測量系統(tǒng)優(yōu)點是有較高的靈敏度，且硬件成本相對較低。但這種由電學量測量原理構(gòu)成的測量系統(tǒng)，存在零點漂移不易消除，模擬信號易受電磁環(huán)境干擾，硬件系統(tǒng)比較脆弱等問題，儀器設計研制人員需要花費大量的研究成本解決這些固有問題[5]。尤其是在橋梁長期監(jiān)測領(lǐng)域，在對長期監(jiān)測資料分析處理時，難以區(qū)分損傷前后結(jié)構(gòu)異常和環(huán)境干擾。因此尋找新的應力應變測量方法就顯得更有意義。

2.6 索力監(jiān)測

目前已經(jīng)發(fā)展起來的索力監(jiān)測技術(shù)主要有5種:壓力表法、測力環(huán)法、頻譜法、磁通量法以及光纖傳感技術(shù)。中鐵大橋局武漢橋科院對光纖Bargg光柵應變傳感技術(shù)做了深入的研究和分析，特別是從橋梁拉索長期監(jiān)測的角度，創(chuàng)新性地提出光纖光柵測力環(huán)及索力監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法，研制出新型的光纖光柵測力環(huán)[6]。有關(guān)的結(jié)構(gòu)試驗和工程應用表明:研制的測力環(huán)及索力監(jiān)測系統(tǒng)，具有抗干擾能力強、靈敏度高、精度高、長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點，非常適合用于大型橋梁拉索受力狀態(tài)的長期監(jiān)測，具有廣闊的應用前景。

3 總結(jié)與展望

大跨度橋梁運營期監(jiān)測技術(shù)研究目前仍然處于探索階段，需要多學科的進一步交叉與發(fā)展，基本實現(xiàn)大型橋梁長期監(jiān)測，自動、經(jīng)濟、不妨礙交通的要求，尚有許多問題有待研究。長期監(jiān)測技術(shù)的最終成功應用，其在結(jié)構(gòu)安全(對地震，強風等強烈自然災害后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行快速和有效的評估，為維修決策提供依據(jù))，延長結(jié)構(gòu)使用壽命(提早發(fā)現(xiàn)不定時的損傷累積，為有效遏制事態(tài)嚴重化提供保障)和科學探索(揭示在自然環(huán)境中真實的結(jié)構(gòu)響應以驗證現(xiàn)有橋梁理論)等方面將產(chǎn)生重大的技術(shù)變革。

[1] 黃啟遠.大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)安全評估[A].二省二特區(qū)特大型橋梁學術(shù)交流會[C].2009.

[2] Xu Y L.Making Good Use of Structual Health Monitoring Systems:Hong Kong's Experience.Structual Disaster Prevention，Monitoring and Control:Hongnan LI&Tinghua YI.

[3] 羅曉光，任偉新.光纖光柵高速稱重系統(tǒng)的研發(fā)[D].長沙:中南大學碩士論文，2009.

[4] ASTM.Committee.Standard specification for Highway weightin-motion(WIM)systems with user Requirements and Test Method.1995 Annual book of ASTM standards volume，04，03 ，wad and paving materials paving management technologies，1995.

[5] 鐘繼衛(wèi)，李星新.貴州壩陵河大橋運營安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設計報告[R].中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院科研報告，2009.

[6] 汪正興，李星新.光纖光柵壓力環(huán)研制及拉索索力測試與疲勞分析系統(tǒng)[R].中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院科研報告，2008.

[7] 劉國軍，馮 曉，王 月.橋梁檢測的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)研究[J].山西建筑，2008，34(7):321-322.