大跨度梁橋結構健康監測及其影響因素探究

仝 瑤

華北水利水電大學，河南 鄭州 450000

0 引言

隨著結構健康監測概念的提出，基礎設施運營期安全性評估引起人們的廣泛關注。近年來我國經濟飛速發展，基礎設施趨于完善，交通運輸需求的增加使得健康監測系統逐漸被應用到道路、橋梁和隧道等基礎設施上，對保證國家經濟發展快速發展和國民的生命財產安全都有著重要作用。因此，為了保證橋梁結構在運行過程中的安全性，對橋梁運營過程的服役狀態進行安全健康監測是十分必要的［1］。通過提前將可能發生的結構損傷進行維護和修復，可以起到提前預防的作用，不管從結構本身安全，還是維護成本都具有重大意義。本文主要介紹了從應變與撓度監測、振動頻率監測與溫度和濕度監測三個方面進行橋梁結構健康監測。

1 應變與撓度監測

結構變形是最能直接反映出橋梁運營期間受力狀況的指標之一，將直接反映出橋梁的承載能力和結構剛度。撓度是結構在外部荷載作用下的豎向變形，表現了結構空間坐標的位置變化。因此，大跨徑鋼筋混凝土梁橋的應變和撓度監測對橋梁健康監測至關重要。

電阻應變片是專門用于應變測量的電子儀器，具有價格低廉、裝拆方便、操作便捷等特點，是目前實際工程中最常見測量應變的儀器之一。它的作用機理是通過電阻絲的阻值變化和金屬絲的變形情況，將一些力學特性（載荷、應力、壓力值等）轉化為與之對應成比例的電學數值。

在進行測量結構應變之前，首先需要將橋梁的荷載類型大致分為恒定荷載（自重）、活荷載（車輛、行人荷載）和隨機荷載（溫度效應）［2］，通過電阻應變片的使用，對橋梁受力較為集中的部位應變進行監測實時檢測，從而做到對橋梁主梁的空間位置變化和受力狀態進行監測［3］。監測點應設置在構件受力最復雜和局部變形最明顯的部位。一般情況下，應變與撓度監測點的選取依據如下：

（1）由構件受力特點確定控制節點。通常主梁跨中位置是變形最大的點，所以在這些位置都應設置應變與撓度監測點；

（2）應與不同橋型的橋梁設計參數相匹配。由于結構變形特征不同，需要根據具體的內部狀態和外部環境確定控制節點和監測需求。

2 振動頻率監測

結構健康監測系統相當于橋梁的“聽診器”，是影響結構健康監測的重要因素。加速度傳感器是用于測量物體加速度的最常見的儀器之一，通常被用作橋梁結構的振動頻率測量。

理論上，傳感器數量越多，收集到的信號也就越完善，但實際工程中出于成本和造價的考慮［4］，傳感器數量往往十分有限，所以如何高效地對有限的傳感器進行優化布置，將直接影響信號收集的準確性與完備性，進而影響橋梁健康狀態的準確評估。在加速度傳感器優化布置方面，根據不同的結構類型復雜程度不同，加速度傳感器也有相應的優化布置：

（1）結構各階模態向量之間要求不相關，即模態間相互正交，若實際操作中無法完全將理論指導應用于實際結構，應盡量滿足模態正交要求；

（2）根據結構本身靜力特性分析后確定，對各階模態下的位移進行動力特性分析，根據應變數據，相應確定傳感器的安置位置；

（3）視溫濕度傳感器和應力應變片的具體位置而定。

3 溫度和濕度監測

橋梁的溫度和濕度，因大氣溫度變化、太陽日照強度、季節變化等因素的變化而變化，由于主要構件的溫度變形和溫度應變，尤其是大跨度鋼筋混凝土梁橋的跨度較大且受力形式復雜（多次超靜定結構），不同的溫度變化會引起大小不一的溫度應力，導致構件出現裂縫，溫度差異過大時甚至會出現溫度應力大于結構應力的現象，對橋梁工作狀態造成十分嚴重的影響［5］。綜合以上分析，溫度和濕度監測是影響橋梁健康的重要因素，對橋梁安全性至關重要。所以應從測量精度、穩定性、可靠度及普適性等方面，選擇合適的溫度和濕度傳感器［6］。具體布置位置應按照以下原則：

（1）為獲取較為敏感監測數據，應盡量選取溫度和濕度差異大、梯度層次顯著的位置，均布設溫度和濕度傳感器，并盡量反應結構橫向、縱向和豎向的溫度和濕度變化規律。

（2）對于單個重要構件，需要對受力形式復雜的關鍵節點進行溫度和濕度監測，傳感器布置點依然按照前述需求的位置。

（3）由于橋梁服役期間所處的溫度和濕度環境較為復雜，所以應選取較為關鍵主梁、橋墩等主要受力構件設置多個溫度和濕度測點，從整體上分析溫度和濕度變化對橋梁結構的影響。

4 結語

近年來，由于結構老化、材料徐變、鋼筋銹蝕等原因，橋梁安全事故頻繁發生，因此對橋梁進行結構健康監測與實時評估，尤其是大跨度鋼筋混凝土梁橋，具有重要現實意義。本文首先從應變與撓度、振動頻率與溫度和濕度這三個方面，對鋼筋混凝土梁橋的結構健康影響因素進行分析，并介紹了不同測量元件的作用機理和適用環境，然后對儀器使用方法進行簡要概括，最后給出各個測量元件的布置準則，對大跨度鋼筋混凝土梁橋的結構健康檢測具有重要的指導意義。