中小跨橋梁安全監測技術研究

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

隨著我國經濟的快速發展和公路交通等基礎設施的建設，公路橋梁建設規模越來越大。截止2018年末，全國公路橋梁共85.15萬座，其中特大橋梁5053座，大橋98869座，而中小跨橋梁數量占全國公路橋梁總數90%以上。由于氣候、環境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重車、超重車過橋數量的不斷增加，橋梁結構將不可避免出現結構損傷和抗力衰減。如何保證數量眾多的中小橋運營安全，是橋梁管養部門面臨的重要難題。通過安裝橋梁安全監測系統可以監測結構的運營狀態，根據荷載輸入和結構響應判斷結構是否處于正常使用極限狀態內，是否即將達到或超越服役極限狀態，在自然環境、交通條件或運營狀況嚴重異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，從而避免重大安全事故的發生。而國內外關于橋梁監測的科學研究、技術規范和工程實踐主要集中在特大跨徑橋梁領域，對中小橋的安全與健康監測實踐及經驗還比較少。

一、中小跨橋梁監測參數及傳感器的適用性分析

(一)中小跨橋梁監測參數的選擇

橋梁健康監測的主要目的是掌握結構的運營安全狀況，合理選擇橋梁安全監測內容是對橋梁運營狀態和安全性進行評估的前提，應盡可能關乎結構安全與否的重點監測內容。橋梁結構安全監測的內容主要包括荷載與環境、結構整體響應和結構局部響應三大類：荷載與環境監測內容包括車輛荷載、風、地震、濕度、溫度和船舶撞擊力等；結構響應監測內容包括結構振動、位移、轉角和變形等；結構局部響應監測內容包括構件局部應變、支座反力、裂縫和基礎沖刷等。目前，《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》(JT/T 1037-2016)和《建筑與橋梁結構監測技術規范》(GB50982-2014)對大跨徑橋梁的監測內容進行了規定，而中小跨橋梁并沒有頒布相應的規范標準進行指導。一般大跨徑橋梁，監測內容較多，儀器費用高，對于受力簡單、數量眾多和造價較低的中小跨橋梁并不適用，應進一步優選監測指標與內容，根據橋型力求選擇最能反映橋梁健康狀況的指標進行監測。

中小跨徑橋梁監測內容的選擇應符合監測有效性、安全性、耐久性和性價比高等要求，由于中小跨混凝土梁橋造價低、安全監測費用有限等經濟適用性因素，結合橋梁結構簡單、受力明確、干擾因素少的基本特點，中小跨徑橋梁應以撓度、應變和溫度為主要監測指標。

(二)中小跨橋梁監測傳感器的選擇

目前，大跨徑橋梁主要基于恒載狀態變化的監測方法，其重點在于濾過活載效應得到恒載狀態的變化，一般選用低頻率的監測設備，主要采集結構長期的參數變化，測試結果不能完整地反映正常運營下橋梁結構的撓度和應力變化，而中小跨橋梁由于跨徑較小對采集頻率的要求更高。大跨徑橋梁往往采用的監測設備精度低，而中小橋在活載作用下撓度整體變化較小，往往不能滿足中小橋撓度感知的要求，數據的可靠性降低。

相比之下，基于活載響應監測值變化進行中小跨橋梁運營期安全狀態評估的方法，其重點是獲得準確完整的活載信息，活載效應的峰值將影響橋梁安全狀況的評判。因此采用采樣頻率高和精度高的動態監測系統及配套傳感器，可以保證實際監測數據的完整性，能捕捉到活載引起的各類應變、撓度效應，有利于進行橋梁運行狀態的評判。

因此，直接套用大跨徑橋梁安全監測系統構建方法則存在成本太高、技術上不適合等問題，對結構進行評級會造成負面影響，對中小橋的安全監測沒有實際意義。故中小跨梁橋的健康監測應選用高頻率高精度監測設備且對活載效應監測數據有評價功能的監測系統。

(1)撓度監測

主梁撓度是評價中小跨橋梁安全性的重要指標。通過監測橋梁在運營期間內，在活載及長期荷載作用下，橋梁各主要測試斷面的位移變化，掌握橋梁結構剛度變化情況及徐變作用情況，對橋梁結構的整體性及薄弱部位進行評估。

目前橋梁撓度監測方法主要有全站儀法、傾角儀法、激光撓度測量、光電成像法、連通管法、GPS法和張力線法等。其中全站儀法和連通管法只適用于測量橋梁結構的靜態變形或位移；GPS測量精度低，不能滿足中小橋撓度感知的要求，主要應用在特大跨懸索橋和斜拉橋的靜態測量；傾角儀法測量橋梁撓度法，其動態測量時容易受到各種傾角相位差及零漂的影響且后續數據處理較繁雜，迄今還沒有得到較為廣泛的應用；張力線法是一種成本低、安裝方便的新型撓度測量方法，但容易受到風和環境溫度的影響，目前關于張力線法的研究與應用還較少；電成像測量可以實現橋梁動靜態測量，能滿足實時、長期、自動測量要求等諸多優點，在實際工程中已得到了很好的應用。綜上可知，對于中小跨橋梁，適用性較好的是張力線法和光電成像測量撓度法。

(2)應變監測

應力(應變)監測是反映橋梁結構在荷載作用下構件局部受力與破壞狀況的關鍵指標，通過監測橋梁各主要測試斷面應力變化，預警橋梁結構是否有缺損狀態的潛伏或存在，從而為橋梁的承載能力、營運狀態和耐久能力提供依據，保證橋梁強度及安全使用的要求。

目前，在橋梁工程中應變測試使用最多的傳感器是電阻式應變計、振弦式應變傳感器、光柵光纖應變傳感器。電阻應變式傳感器的穩定性差，長時間測量會產生漂移，適用于短時間的靜力或動力試驗；振弦式應變傳感器主要應用在大跨徑橋梁長期、靜態的監測；光纖光柵傳感器具有耐久性好、采集頻率高、精度高、信噪比高等諸多優點，對中小橋的適用性好。

(3)溫度監測

了解橋梁溫度隨環境溫度的變化情況，從而為不同溫度狀態下橋梁工作狀態變化，如變形、應力變化進行比較和分析時提供數據。目前監測橋梁溫度的主要方式有：熱電阻溫度傳感器、便攜式測溫槍、光纖溫度傳感器。

二、總結

中小跨橋梁健康監測系統應選用高頻率高精度監測設備，該系統能有效掌握實際運營過程中活載效應對橋梁結構的影響，可為橋梁管理部門及時發現橋梁安全隱患提供有效的依據。