基于管養(yǎng)目的的公路橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)探析

孫中陽(yáng)

（河南省交院工程檢測(cè)科技有限公司，河南 鄭州 450000）

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，我國(guó)公路橋梁建設(shè)取得了巨大的成績(jī)。但因受到外界多種因素的制約，公路橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同程度的損害，進(jìn)而導(dǎo)致其抗力逐步衰減。為此，通過(guò)何種方式可對(duì)公路橋梁的健康情況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。選用管養(yǎng)為目的的公路橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，可對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。在一些特殊天氣及交通條件下，公路橋梁往往會(huì)出現(xiàn)一些問題，通過(guò)該監(jiān)測(cè)技術(shù)，可及時(shí)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的異常情況進(jìn)行預(yù)警，并對(duì)橋梁使用年限進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地分析與評(píng)估，為后期橋梁工程管理、維護(hù)提供便利。

1 當(dāng)前我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由20世紀(jì)80年代被提出，隨后在大量橋梁建設(shè)中設(shè)置了用于運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)目的的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。21世紀(jì)之后，我國(guó)多數(shù)橋梁都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在早期安裝中，多為傳感器這類簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部分系統(tǒng)經(jīng)多年通車使用后按照相關(guān)部門的需求進(jìn)行了升級(jí)應(yīng)用。當(dāng)前，在新建橋梁中健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更具合理化，安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成了大跨度橋梁建設(shè)必須考慮的條件。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，強(qiáng)監(jiān)測(cè)弱診斷成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要形式，為達(dá)到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)，要求加大研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及健康診斷的力度，特別是在自診斷技術(shù)應(yīng)用中，要求更好地發(fā)揮其在線化、連續(xù)化及自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。

在健康診斷及安全預(yù)警研究中，通常需要先掌握能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、損傷反映出來(lái)的特征指標(biāo)，隨后根據(jù)健康監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行此類指標(biāo)的計(jì)算，并準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)行為，且與專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)此類指標(biāo)取值范圍進(jìn)行設(shè)定及劃分，以此獲取指標(biāo)閥值體系，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，隨后分析對(duì)比該指標(biāo)值和閥值體系，以此診斷健康監(jiān)測(cè)狀態(tài)并進(jìn)行安全預(yù)警。

2 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的概況

以往主要選用人工方式進(jìn)行橋梁安全檢測(cè)，或針對(duì)橋梁定期實(shí)施全面檢查，如出現(xiàn)異常情況，如地震等，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，且對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成危害的情況下，需及時(shí)做好檢測(cè)評(píng)估工作。這種情況下，橋梁損傷已經(jīng)較為嚴(yán)重，選用人工特殊檢測(cè)、評(píng)估，不僅會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，還會(huì)產(chǎn)生大量費(fèi)用，且與橋梁安全應(yīng)急管理的要求不符。為此，基于管養(yǎng)目的，應(yīng)選取切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)方法，更好地提升公路橋梁質(zhì)量。

通常情況下，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：

（1）通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可及時(shí)獲得橋梁結(jié)構(gòu)特征信息，并能及時(shí)了解橋梁的健康狀況。

（2）橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的主要部位或整體性能，從而為維修、管理橋梁工程提供參考依據(jù)。

（3）橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)橋梁所承受的動(dòng)載及靜載能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，為橋梁運(yùn)營(yíng)決策、管理提供保障。

（4）橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方法、理論的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并為設(shè)計(jì)修改提供依據(jù)。

3 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)

在我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展中，橋梁占據(jù)著重要的地位，加大橋梁監(jiān)測(cè)工作力度，可及時(shí)找出其病害，為病害原因分析及處理提供可靠依據(jù)，進(jìn)而提高橋梁運(yùn)營(yíng)的安全性。定期監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容，具體如下：

3.1 定期監(jiān)測(cè)

定期監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)公路橋梁的性能，主要內(nèi)容見表1。

表1 定期監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在公路橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，主要對(duì)2個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如工作環(huán)境與運(yùn)營(yíng)狀況。具體內(nèi)容見表2。

表2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

4 工程案例分析

某橋梁工程總長(zhǎng)度為670 m，30 m為主跨長(zhǎng)度，其他跨均為20 m，本橋?yàn)楹?jiǎn)支型預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，選用柱式墩作為橋梁下部結(jié)構(gòu)，蓋梁上采用板式型橡膠。此橋交通量較大，因重載型車輛較多，行駛過(guò)程中出現(xiàn)局部空心板斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而影響交通通暢性，出現(xiàn)中斷情況，后經(jīng)及時(shí)搶修，快速恢復(fù)通車。但通車運(yùn)營(yíng)之后，幾個(gè)月就有大量縱向裂縫出現(xiàn)于主跨橋面位置，且橋面變形嚴(yán)重。為此，決定限制本橋通行，并對(duì)其實(shí)施健康監(jiān)測(cè)。此監(jiān)測(cè)過(guò)程主要選用的監(jiān)測(cè)方法為動(dòng)態(tài)法測(cè)試與承載力計(jì)算分析，通過(guò)橋梁模態(tài)參數(shù)，可準(zhǔn)確地將橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況、整體指標(biāo)反映出來(lái)。

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

阻尼比、自振頻率、振型等都是橋梁結(jié)構(gòu)所具備的動(dòng)力特征，可利用有限元程序進(jìn)行空心板梁結(jié)構(gòu)所具備的動(dòng)力特性。首先，在脈動(dòng)荷載作用下，監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并對(duì)空心板現(xiàn)有剛度、強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；其次，評(píng)估空心板結(jié)構(gòu)，對(duì)其工作性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此將準(zhǔn)確、真實(shí)的參數(shù)提供于加固、改建工程的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

4.2 監(jiān)測(cè)步驟

第一，通過(guò)有限元程序，對(duì)空心板梁結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性進(jìn)行分析、掌握。

第二，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空心板梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

第三，對(duì)空心板結(jié)構(gòu)的工作性能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

4.3 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備

橋梁監(jiān)測(cè)選用動(dòng)測(cè)法時(shí)，選取的設(shè)備系統(tǒng)具有采集、分析、放大動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等功能，一般情況下，此系統(tǒng)需與拾振器配合使用。

4.4 布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)工程實(shí)際情況，可將拾振器布設(shè)到公路橋梁頂面，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)還應(yīng)將界面實(shí)際位移、加速度曲線等繪制出來(lái)。

4.5 監(jiān)測(cè)方法

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路橋梁結(jié)構(gòu)，可及時(shí)掌握其動(dòng)力特性，并科學(xué)分析、判斷橋梁的承載力、運(yùn)營(yíng)情況。同時(shí)，在測(cè)試橋梁動(dòng)力特性，固有頻率是其主要測(cè)試內(nèi)容，在測(cè)量第一階段自振頻率之后，可對(duì)比早期檢測(cè)的理論計(jì)算頻率，以此對(duì)公路橋梁的具體技術(shù)情況進(jìn)行判斷。

4.6 監(jiān)測(cè)頻率的計(jì)算結(jié)果

簡(jiǎn)支型空心板橋?yàn)榇藰蚪Y(jié)構(gòu)形式，在監(jiān)測(cè)橋梁健康狀況時(shí)，邊界條件可選取3種彈簧實(shí)施模擬，且按照板式橡膠支座的特征，獲取豎向彈簧剛度，其值為K1=1.7×106kN/m，水平向彈簧剛度，取值K3=5000 kN/m。在橋面連續(xù)部位，水平向彈簧剛度K2取值無(wú)限制。通過(guò)計(jì)算可得，3.709 Hz為一階頻率。

4.7 對(duì)比監(jiān)測(cè)頻率識(shí)別結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)可見，其結(jié)果為3.369 Hz，以此可通過(guò)fml/fdl=3.369/3.709=0.9（fml為自振頻率；fdl為理論計(jì)算頻率），為此，可得出此橋梁為第四類橋，狀態(tài)較差。

4.8 監(jiān)測(cè)結(jié)果

（1）橋梁剛度減小，則說(shuō)明在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，因超載車輛較多，空心板裂縫問題過(guò)于嚴(yán)重，導(dǎo)致橋梁截面有效高度有所下降。

（2）監(jiān)測(cè)橋梁承載力及變形情況時(shí)，在橋梁?jiǎn)伟迨芰τ绊懴拢?dāng)前空心板承載力與其承受的能力有所不符，如超載問題嚴(yán)重，極易出現(xiàn)空心板斷裂現(xiàn)象或坍塌。同時(shí)還能監(jiān)測(cè)橋梁動(dòng)態(tài)狀況，按照我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可對(duì)此橋承載力的安全性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)定，因橋梁空心板剛度降低程度過(guò)大，按照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，確定該橋技術(shù)狀況為第四類，狀態(tài)并不理想，必須采取科學(xué)有效的措施進(jìn)行加固改建處理。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，作為道路體系的主要構(gòu)成部分，橋梁也是現(xiàn)代交通工程的關(guān)鍵性樞紐，在交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。伴隨使用年限的不斷增加，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及使用性能都會(huì)發(fā)生改變，為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，增加其使用壽命，必須建立及完善橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以為橋梁后期養(yǎng)護(hù)維修、管理提供科學(xué)依據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免事故發(fā)生，提高橋梁工程通行的安全性。