某大橋運營階段長期健康在線監測實施方案

李革新

1 長期健康監測的意義和目的

大跨度系桿拱橋發生在長期的營運過程中，受到系桿預應力松弛、車輛荷載、臺風、外界天氣溫度(季節溫度和局部溫度)變化、水流沖刷、船舶撞擊等眾多因素的影響。在長期恒載和活載的作用下橋梁結構受力狀態處于不停的變化中，橋梁的強度和剛度會隨時間而有所下降，橋梁的線形和內力狀態會發生一定的變化，某大橋是采用鋼性吊桿結構建設的橋梁，跨度大，結構體系敏感性強，結構狀態一些較小的變化都有可能導致受力情況發生較大的改變，甚至會影響橋梁的安全營運和正常使用壽命。為了及時了解該大橋主橋在營運期間結構是否處于正常使用狀態，保證橋梁結構的安全和正常功能的實現，必須對橋梁的應力(應變)、系桿索力等狀態變量進行長期的定期觀測，為結構的健康狀態評估、養護與管理工作提供依據。

2 健康監測內容及方案

2.1 主要監測內容

1)全橋主梁線形及變形的自動化監測;2)主橋拱肋、主橋橋墩的變形沉降人工觀測;3)主橋吊桿索力部分自動化監測，結合定期人工觀測;4)主橋系桿中部分索力自動化監測;5)主橋拱肋、主梁等結構的控制截面應變自動化監測;6)主橋控制截面環境溫度的自動化監控。

2.2 測試方法

2.2.1 全橋主梁線形及變形的自動化監測

橋梁主要截面的撓度是評價橋梁質量及運行狀態的重要指標之一，因此，無論是荷載試驗還是健康狀態監測，橋梁主要截面的撓度均是必須檢測的內容。通常撓度測量目前有如下幾種方法:1)百分表;2)精密水準儀;3)GPS衛星定位系統;4)連通液位計。對于大跨徑橋梁，其單孔跨徑在數百米內，撓度變化要實現24 h全天候的自動化監測，最佳的方式就是連通液位計的形式。該方法原理就是在參考點和待測點布上傳感器，用液管將它們連接起來，并加入液體，這樣當待測點相對于參考點產生撓度變形時，其液面會發生改變，傳感器監測這一變化，從而達到測量撓度的目的。

2.2.2 主橋拱肋、主橋橋墩的變形沉降人工觀測

1)變形監測控制網的建立。為了實現長期監控至少要在橋頭附近設置4個永久控制點，以建立變形監測控制網，要求永久控制點穩定可靠、變形極小(通常要打樁至基巖)，同時為了引測方便，要求永久控制點與測點之間能通視，變形監測控制點位置需根據工程實際情況來確定。

2)變形監測。大橋的變形監測包括:主橋拱肋線形，引橋線形及變形和主橋橋墩位移、沉降測量等內容，通過變形監測網對主橋拱肋、引橋線形及變形進行監測，監測各測點的空間坐標和標高變化情況。中承式拱橋的拱肋線形是變形觀測的主要內容，在兩個主拱肋的拱腳、L/4、拱頂五個控制截面處共安裝10個圓棱鏡，在邊拱L/2共安裝4個圓棱鏡，以觀測拱圈線形變化和主橋橋墩的位移、沉降情況，線形測量采用日本進口TOPCON精密電子水準儀及徠卡全站儀。測點布置如圖1所示。

圖1 拱肋及橋墩變形測點布置圖

3)吊桿索力測試。采用弦振法原理測試吊桿索力。通過環境隨機激勵，采集吊索的振動加速度，經過濾波、放大、FFT分析，得到頻譜圖，根據頻譜圖得到吊索弦振的各階頻率，根據頻率和索力的對應關系得到索力值。索力測量時，要注意測量到的頻率階次高低對索力測量值的影響，索力換算時盡量采用低階頻率，否則，需作相應的修正。吊桿頻率測量采用單通道專用索力動測儀JMM-268-1測量。有2根短吊桿已埋設300 t壓力傳感器，可通過振弦自動采集系統24 h連續監測吊桿索力。通過系統監控軟件，橋梁管理者可了解營運過程中吊桿索力的變化情況。

4)系桿張拉力測試。采用ZX-308T三弦智能型穿心力傳感器測量部分系桿張拉力，按對稱性共布置了16個20T級穿心式壓力傳感器。通過振弦自動采集系統，可24 h連續監控，營運過程中橋梁部分系桿張拉力的變化情況。通過系統監控軟件，橋梁管理者可了解營運過程中吊桿索力的變化情況。

5)控制截面應變測試。采用振弦式應變計測量結構中控制截面的應變。采用施工監控時已預埋的穩定性好、高精度的振弦式應變計，作長期觀測的測試元件。在施工監控中，已對應變計的測試電纜和線頭進行必要的保護。通過振弦自動采集系統，可24 h連續監控營運過程中橋梁各關鍵截面應力的變化情況。通過系統監控軟件，橋梁管理者可了解營運過程中吊桿索力的變化情況。鋼箱弦式應變計主要沿縱向布置，主梁鋼橫梁應變計主要沿橫向布置，各控制截面應變計的布置如圖2所示(按對稱性僅畫一半)。

圖2 控制截面應變測點布置圖

6)溫度場量測。由于結構溫度變化對主梁線形、主拱肋線形、控制截面應力影響較大，因此同步測量結構溫度場非常重要。

吊索溫度測試選用JMT-36A型記憶智能溫度傳感器，采用振弦自動采集系統，24 h連續測試溫度變化。在測溫吊索段內預埋溫度傳感器，以測量其內部的溫度場分布，把它放在橋址處模擬吊索內高強鋼絲的溫度。

在主拱肋的控制截面布置溫度傳感器，測量溫度場分布情況。

通過振弦自動采集系統，連續監控營運過程中各關鍵截面溫度場的分布情況，溫度傳感器已在施工監控中埋設。

3 系統布置

本系統由監控主機，弦式自動數據采集模塊、總線形接口模塊，弦式傳感器、靜力水準儀以及相應的監控軟件組成。其中錨索計、應變計、溫度傳感器接入弦式自動數據采集模塊，靜力水準儀接入總線形接口模塊，這些采集模塊通過RS485標準總線，與主機相連接。主機中安裝監控軟件對各個采集模塊進行控制、數據采集及數據分析，為橋梁管理者提供第一手數據。系統布置如圖3所示。

圖3 系統布置示意圖

4 弦式自動采集系統布置

弦式自動采集系統包括多點弦式采集單元、測試元件、電源防雷、信號防雷、密封箱等組成部分。為了盡量提高測試效率，同時節約經費，本監測系統將配備32點弦式采集單元4臺(ZR-32)，16點弦式采集單元2臺(ZR-16)，共設置密封箱6個，分別布置在主橋鋼箱梁檢查孔處。同時大部分測試元件均可利用施工監控過程中埋置的應變計、溫度傳感器、力傳感器等元件，可節約大量的經費投入。

該弦式采集系統能監測拱肋及主梁各關鍵截面的應變、溫度場分布、系桿張拉力、吊索索力等業主關系的結構參數，可以從整體上把握橋梁的健康狀況，可及時掌握橋梁在營運階段結構狀態的變化。

橋梁撓度測試系統包括總線讀數儀一臺、靜力水準儀13臺、導線及相關安裝附件，其密封箱可與弦式自動采集系統共用。分別布置在主梁內，可連續監測橋的主梁撓度變形。

5 結語

通過對運營階段長期健康在線檢測實施方案的研究，能為該橋積累重要的原始數據，為分析橋梁的結構健康狀態，評估結構的可靠性，為橋梁的管理和維護提供科學依據。

［1］ 潘 理.橋梁檢測技術研究［J］.山西建筑，2010，36(8):322-323.