大跨連續剛構橋全壽命監測技術研究及應用

馬惠香 李志剛 康建功 黃蘭

【摘 要】針對目前施工監控傳感器損壞無法更換、運營監測無法監測橋梁恒載、施工監控與運營監測相對獨立等問題，在分析大跨連續剛構橋施工監控與運營監測內容、系統等的基礎上，利用施工監控與運營監測信息的相關性，提出大跨連續剛構橋全壽命監測技術的理念，并闡述其原理、工作模式及其優勢。

【關鍵詞】連續剛構橋；全壽命監測；施工監控；運營監測；相關性

【中圖分類號】U446.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0125-02

0 引言

橋梁是國家經濟和社會發展的重要基礎設施，是一個國家或地區經濟實力、科學技術、生產力發展等綜合國力的體現。截至2015年年底，我國建成的公路橋梁總數已經達到77.9萬座，累計總長度為4 593萬m。無論在橋梁總體的數目上還是長度上，都可以堪稱是橋梁大國。大跨連續剛構橋由于具有墩梁固結、無需大噸位支座、結構連續變形小、滿足行車舒適性高等優點而被廣泛使用。然而，隨著時代發展，交通工具不斷推陳出新，車輛載重量增大，超載重車輛不斷出現，加上橋梁在營運過程中未采用科學、合理的養護措施，材料與結構的自然老化、使用環境的變化等因素的共同作用下，使得大量橋梁結構處于亞健康或危險狀態。為了能夠準確及時地了解橋梁運營的安全性、耐久性和適用性，對橋梁進行全壽命監測具有重要意義。自20世紀90年代起，我國在一些重要的大型橋梁上安裝了規模不同的監測系統。針對橋梁監測，盡管已取得較大進展，但依然存在一些問題。

基于此，本文在分析大跨連續剛構橋施工監控與運營監測內容、系統等的基礎上，利用施工監控與運營監測信息的聯系，提出大跨連續剛構橋全壽命監測技術的理念，并闡述其原理、工作模式及其優勢，旨在為同類工程提供參考。

1 大跨連續剛構橋全壽命監測技術

1.1 施工監控與運營監測

橋梁施工監控是在橋梁施工過程中，按照實際施工工況，對橋梁結構的內力和線型進行量測，經過誤差分析，繼而修正、調整以盡可能達到設計目標，是一個施工→量測→識別→修正→預告→施工的循環過程，可以提高橋梁的施工質量、控制橋梁在施工過程及成橋狀態的力學行為，把握橋梁竣工質量；橋梁施工監控的內容主要包括成橋理想狀態確定、理想施工狀態確定和施工適時控制分析等。

橋梁運營監測是通過橋梁結構的工作環境信息，包括環境溫度、風荷載和車輛荷載等的變化，獲取橋梁結構的響應特征信息，實時掌握橋梁結構的工作狀況和運營狀況，對工程結構實施損傷檢測和識別，通過定期更新數據來估計結構是否有能力繼續實現設計功能，以實現對橋梁結構的科學管理、養護、維修及運營決策，為確保橋梁運營安全提供依據。

大跨連續鋼構橋施工監控與運營期安全監測的主要內容如下。施工期間監測項目：基礎沉降監測、變形監測、應變監測、風荷載監測、溫度監測、振動監測；使用期間監測項目：基礎沉降監測、變形監測、應變監測、風荷載監測、溫濕度監測、地震監測、車輛荷載監測、動力響應監測、支座反力及位移監測。

無論是施工監控還是運營監測，其系統架構基本都包含以下幾個部分：傳感器系統、數據采集與傳輸系統、數據處理與分析系統、數據庫管理系統、結構狀況評估系統、用戶界面系統。

1.2 全壽命監測技術

結合上述在分析大跨連續剛構橋施工監控與運營監測監測內容、監測系統等的基礎上，利用施工監控與運營監測信息的相關性，提出大跨連續剛構橋全壽命監測技術的理念。

1.2.1 施工監控與運營監測的聯系

隨著監控/監測技術的不斷研究和不斷完善，目前在很多橋梁上都安裝了監控/監測系統。但依然還有很多問題需要完善和解決。例如，建設期的施工監控和運營期的安全監測相互獨立，監控/監測信息具有不連續性。目前，大多數橋梁都已建設完畢，為了保證橋梁運營安全，很多都是在已建橋梁上安裝運營監測系統，但在已建橋梁上安裝運營監測系統，其監測數據并不能真實地反映系統安裝前橋梁的狀態，只能監測橋梁在車輛、風等荷載作用下的響應，即只能通過活荷載的結構響應對橋梁進行安全評估，忽略了恒載對橋梁的評估，而恒載一般情況下占其總荷載的80%左右，這樣勢必造成橋梁評估準確性降低。結合上文分析可知，建設期施工監控和運營期安全監測監控有很多相同之處，監控/監測系統基本相同。因此，可利用建設期的施工監控對恒載響應進行監測，利用運營期安全監測對活載響應進行監測，把施工監控和運營監測的傳感器結合起來，然后分析施工監控和安全監測數據的相關性，使得橋梁運營期的安全監測能夠反映橋梁的實際恒載響應。

1.2.2 全壽命監測技術

大跨連續剛構橋應用的傳感器通常可分為埋入式傳感器和表貼式傳感器，埋入式傳感器主要應用于新建橋梁的施工監控，即在混凝土澆筑前預先在橋梁待監測位置或在鋼結構吊裝前安裝傳感器，針對混凝土結構或者鋼結構在橋梁修建前，這種方式是有效的，能夠很好地監測橋梁恒載作用下的結構響應，但是也存在儀器在混凝土澆筑或鋼結構吊裝時容易損壞等問題。而對于已修建橋梁，只能利用表貼式傳感器安裝在橋梁表面對其進行監測，但只能監測活載作用下的結構響應。而且隨著時間的增長，在惡劣的環境影響下，埋入式傳感器在使用期內極易出現損壞，導致大跨連續剛構橋還未出現損傷而監測傳感器卻已不能使用。針對埋入式傳感器在使用過程中無法更換等特點，在同一測點的同一監測項目安裝埋入式傳感器和表貼式傳感器，分析埋入式傳感器與表貼式傳感器之間的關系，在埋入式傳感器損壞后，利用兩者之間關系，推導大跨連續剛構橋的運營狀態具有重要意義。具體實現方式如下。

（1）在橋梁建設期間，在預定位置安裝埋入式傳感器，用于監測橋梁施工及后期運營期間狀態；并在橋梁建成之后，在埋入式傳感器對應的橋梁結構表面安裝表貼傳感器，用于監測橋梁活載信息。

（2）對采集到的數據進行預處理，如刪除錯誤數據，對溫度進行修正等。

（3）建立坐標系，利用處理后的數據進行分析，以時間作為自變量，以埋入式和表貼式傳感器監測數據作為因變量，并利用數學方法對埋入式和表貼式監測數據進行相關性分析；建立回歸函數模型，利用相關關系曲線擬合，得到埋入式和表貼式監測數據相關性函數。

（4）對擬合的相關性函數利用數學方法對精度進行檢驗和對相關系數進行敏感性分析。

（5）在埋入式傳感器損壞后利用表貼式傳感器的時間—應力曲線和相關性函數反推橋梁在運營期的應力—時間關系曲線。

2 結語

本文在分析大跨連續剛構橋施工監控與運營監測內容、系統等基礎上，利用施工監控與運營監測信息的相關性，提出大跨連續剛構橋全壽命監測技術的理念，并闡述其原理、工作模式及其優勢，旨在為同類工程提供參考。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]