預應力混凝土橋梁健康監測分析研究

0 引言

預應力混凝土橋梁由于施工簡便、結構穩定且便于維護等優點，在目前國內公路橋梁中占有較大的比重。截至去年底，國內共有各類預應力混凝土橋梁約143萬余條，其中尤其以中、小跨徑梁橋居多，而這些橋梁大多沒有形成較為完備的健康監測體系。同時預應力混凝土橋梁相比較于其他以非混凝土為結構主體的橋梁類型，更易受到混凝土的時變（如收縮徐變等）影響，且相比于普通混凝土材料還具有一定的力學性能，所以對預應力混凝土橋梁展開健康監測分析研究具有重要意義。

此外，當前國內針對預應力混凝土橋梁的健康監測并沒有統一、可執行的標準或意見，且國外相關研究仍處于試驗性或者待深入研究應用階段，因而本項目具有一定的開創性和試驗推導性質。通過對某中型預應力混凝土跨徑梁橋進行各類數據監測，獲取關于橋梁健康狀態的各種重要參數，并進行數據處理分析進而得出相關結論。在此基礎上，本文還分析了一個完整的預應力混凝土橋梁檢測系統的工作流程和各環節功能作用，并對相關的管理操作流程提出優化建議。

1 工程概況

某中型預應力混凝土跨徑梁橋位于國內南方內陸城市，是城市環路的重要組成部分。其主橋全長為763.56米，并分有左右兩幅橋（每幅橋均分有3聯）。該橋上部采用預應力混凝土連續箱梁為主體結構，通過現場測繪研究，其聯跨度分布為3122cm*3+2978cm*2+2897cm。橋寬共計1650cm，梁高1700cm，且各支點連接處均設置為橫梁結構。在材料選取方面，均采用C50標號混凝土，同時各預應力鋼束均采用高強度低松鋼絞線，采用波紋管制孔。在施工方面，采取分節施工的方式，橋梁概況見圖1，橋梁的跨中截面和支點截面分別見圖2和圖3。

圖1 橋梁施工概況

圖2 橋梁跨中截面（單位：cm）

圖3 橋梁支點截面（單位：cm）

2 健康監測方案

為有效監測該橋梁健康狀況，在橋梁建成之后，采取多種方式以實現對橋梁的應變、撓度和溫濕度等信息的較精準識別監測。

2.1 應變檢測

結合項目實際與普適性，本試驗采用振弦式應變監測傳感器來測量橋梁的應變情況。之所以未采用光纖傳感器等，是考慮到大多采用預應力混凝土結構的各類橋梁普遍為中、小型，后期維護保養預算并不是太充足，而光纖傳感器等經濟性價比較低。

在試驗設計方面，選用橋體第一聯中的前三跨（即為00臺—01墩—02墩—03墩，見圖4）為監測對象，并在這些部位的跨中和支點為傳感器埋設處（埋設點位見圖5）。

圖4 應變監測區間

圖5 應變計放置圖示

通過在所選區間的每跨徑箱梁截面腹板的上、下緣放置應變計，并采用扎絲的方式將其固定在檢測部位的鋼筋上。在放置完成后，還預留應變傳感器的導線，試驗共使用48臺應變傳感器。在布設完應變傳感器后，還為溫濕度傳感器預留了一定空間，以確保后續試驗能夠順利進行。

2.2 撓度監測

在撓度監測方面主要使用靜力水準計來進行衡量。通過分析靜力水準計中不同腔體里面的液面高度差，來判斷所測量區域在垂直方向上的位移變化。這種測量方式簡單穩定，且便于長期觀測。靜力水準計的工作原理概圖如圖6所示。

圖6 靜力水準計工作原理概圖

通過在被測橋體的前三跨的每個跨中截面處設置放置點，并額外設置一處基準點，因此共計使用四臺靜力水準計。考慮到箱梁中內部空間有限，因而靜力水準計采用外掛設計，即放置在每跨箱梁腹板的右外側且在橋路面之下。靜力水準計的固定方式見圖7。

圖7 靜力水準計固定方式

2.3 溫、濕度及風力和車流量等監測

溫濕度監測方案中，溫濕度傳感器除放置在被測橋體結構中（放置位置與應變監測相同），還分別于橋梁兩側放置兩臺溫濕度監測箱，用于測量環境溫、濕度。

風力檢測則是在橋梁路面中心處樹立一個風速計和風向標，用于記錄風力信息。

車流量信息則主要依靠周邊交通數據分析和交管平臺公示。

雨雪情況則依據當地氣象臺紀錄。

3 結論分析

通過本試驗對中型預應力混凝土跨徑梁橋的健康監測分析來看，混凝土的收縮徐變仍是影響預應力混凝土健康情況的主要原因。同時預應力混凝土橋梁還受到橋體結構、路面負載、車流量及溫濕度等影響。結合層次分析法及權重分析，得出預應力混凝土橋梁健康因素影響分布（見表1）。

表1 預應力混凝土橋梁健康因素影響分布

經過長期監測分析，該橋梁中預應力混凝土的收縮徐變在前期發展較為快速，尤其是在預應力施加后的29d內應變急速增加，而后則發展較為緩慢。至第834d之后，收縮徐變已基本完成，相關數據變化不再明顯。此外，環境溫度和負載也對混凝土中的鋼筋預應力產生一定影響，同時在較低溫度下混凝土徐變速度會相應降低。

在本次試驗中，我們還發現雖然預應力混凝土橋梁具有各種獨特優勢，但由于其自身材質和結構原因，對于混凝土施工工藝和鋼筋放置方式等有較高的要求，需要施工人員具有一定的技術基礎并嚴格按照施工方案進行。同時，盡可能保證在橋梁施工過程中，周邊的溫度、濕度等環境因素較為恒定，以保證混凝土前期的收縮穩定。不同部位所承受的負載有一定區別，這也對橋梁的健康運行產生一定的影響，特別是在后期運行中面臨車流量較大、車輛超載等情況，這需要在橋梁設計之初便充分考量。

4 結語

預應力混凝土橋梁施工便捷，同時結構簡單穩定、后期維護保養成本較低，得到了較廣泛的使用。但針對此類型橋梁的長期健康監測卻發展相對緩慢，國內還沒有形成較為通用且規范有效的的健康監測標準體系。本文依據國內南方某內陸城市中的中型預應力混凝土跨徑梁橋健康監測情況展開分析論證，探究了影響其健康情況的各類因素數據，并運用管理學方法進行權重分析和流程優化建議。最后伴隨著國內交通運輸事業的進一步發展，預應力混凝土橋梁的相關研究和技術人才儲備情況會得到持續優化，這將對于此類橋梁的健康監測和長期穩定運行奠定良好的基礎。