(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

中小型混凝土梁橋安全監(jiān)測(cè)綜述

屈浩然

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

我國(guó)中小橋梁眾多，由于結(jié)構(gòu)老化，車輛超載等因素使得中小橋面臨著嚴(yán)峻的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題。為了保證運(yùn)營(yíng)安全以及延長(zhǎng)服役壽命，有必要對(duì)在役中小橋進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。本文對(duì)在役中小橋安全監(jiān)測(cè)的必要性及監(jiān)測(cè)參數(shù)、監(jiān)測(cè)位置和常用監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行了介紹。

安全監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)參數(shù)；傳感器

1 概述

我國(guó)中小跨橋梁數(shù)量在橋梁總數(shù)中占有絕大多數(shù)，其安全狀況直接影響著交通運(yùn)輸?shù)捻槙臣鞍踩?/p>

在役中小跨橋梁在環(huán)境、材料老化及荷載長(zhǎng)期作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。隨著近年來(lái)公路上通行車輛數(shù)量及軸重的日益增加，重超載問(wèn)題嚴(yán)重，橋梁損傷速度加快，橋梁出現(xiàn)超預(yù)期病害甚至垮塌的事件越來(lái)越多，安全性問(wèn)題尤為突出。

由于經(jīng)費(fèi)投入限制及超載車輛影響，數(shù)量龐大的中小跨橋梁檢查養(yǎng)護(hù)工作難以滿足要求，眾多的中小型橋梁存在著較嚴(yán)重的安全隱患。

目前對(duì)中小橋通常采用人工定期檢查方法，周期一般為兩到三年，檢測(cè)橋梁的損傷情況評(píng)估橋梁的安全狀態(tài)。受人員情況、現(xiàn)場(chǎng)條件、觀察周期的限制，僅依靠這種方法存在一定隱患。

長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)、全面掌握橋梁的健康狀態(tài)，為了解橋梁隨時(shí)間等因素影響的變化過(guò)程積累重要數(shù)據(jù)。中小橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

1.1適用性

根據(jù)中小跨梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元建模分析計(jì)算選取關(guān)鍵截面和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，建立簡(jiǎn)潔明確的分析評(píng)估系統(tǒng)，使橋梁一線的管理維護(hù)工作人員快捷地辨別橋梁的安全狀態(tài)。

1.2可靠性

中小跨梁式橋所處的自然環(huán)境復(fù)雜，因此安全監(jiān)測(cè)中所采用的數(shù)據(jù)采集元件和設(shè)備除應(yīng)滿足精度外，還應(yīng)具有良好的穩(wěn)定和耐久性。

1.3經(jīng)濟(jì)性

中小跨徑橋梁其造價(jià)較低，因此中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。在滿足監(jiān)測(cè)功能性要求的前提下，盡量采用經(jīng)濟(jì)的儀器設(shè)備，對(duì)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)及分析進(jìn)行優(yōu)化。

2 中小橋主要監(jiān)測(cè)參數(shù)

中小橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有別于大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“因地而異、因橋而異、經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠”的原則。不同地理位置的橋梁因橋址處環(huán)境不同，需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)不同，不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容也應(yīng)有所不同，并且在進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到投資額度的影響，最優(yōu)化地選擇監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理、穩(wěn)定可靠的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

中小型梁式橋的安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容可分為作用監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)中小橋梁的重要程度和安全狀態(tài)。其中作用監(jiān)測(cè)必選監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為車輛荷載及環(huán)境溫度，地震作用作為可選項(xiàng)；結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)一般把應(yīng)力、撓度、振動(dòng)和伸縮縫的變位作為必選監(jiān)測(cè)項(xiàng)，橋梁的幾何線形、支座反力作為可選項(xiàng)。

3 中小橋主要監(jiān)測(cè)截面位置

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求以及效益成本分析,通過(guò)計(jì)算分析得出不同截面位置對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的回應(yīng)敏感度，最優(yōu)化地確定所需的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量。

中小跨梁式橋不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容的監(jiān)測(cè)截面如下表所示。

表1 中小跨梁式橋主要監(jiān)測(cè)截面位置

4 中小型梁橋安全監(jiān)測(cè)儀器的選擇

根據(jù)中小橋梁的結(jié)構(gòu)特性、所處環(huán)境及資金許可,結(jié)合其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)內(nèi)容以及監(jiān)測(cè)位置，綜合必選確定使用的傳感器或測(cè)量?jī)x器。

4.1應(yīng)力與應(yīng)變監(jiān)測(cè)

應(yīng)力與應(yīng)變是反映荷載作用下橋梁局部受力與損傷情況的指標(biāo)。通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵截面，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力或應(yīng)變。進(jìn)而通過(guò)應(yīng)力或應(yīng)變的變化評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度和安全狀態(tài)。

對(duì)中小型橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)的應(yīng)力或應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，使用最多的是振弦試傳感器、光纖光柵傳感器和電阻應(yīng)變片。

其中振弦式傳感器采用振弦理論設(shè)計(jì)制造,靈敏度及精度較高,穩(wěn)定性較好,耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)。常用的JMZX-215型應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變量程±1500με，精度2.5%F.S，測(cè)量標(biāo)距157mm，且價(jià)格相對(duì)低廉，適合預(yù)算有限的中小橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

4.2撓度監(jiān)測(cè)

撓度是評(píng)估中小橋梁安全狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。橋梁的豎向撓度,反映其整體剛度,利用監(jiān)測(cè)中小橋撓度的變化判斷出橋梁當(dāng)前的安全狀態(tài)。

常用撓度的量測(cè)方法有百分表測(cè)量法、靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量法、全站儀測(cè)量法、連通管測(cè)量法等方法。

中小跨徑橋梁可以使用靜力水準(zhǔn)儀法進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)。利用連通的管道中的液體，在重力作用下，不同的位置液面高度一致。多個(gè)靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)管道連接，當(dāng)某個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直位移發(fā)生變化時(shí)，靜力水準(zhǔn)儀的液面高度也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)其變化值，可以得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)橋梁的豎向撓度變化。此方法具有準(zhǔn)確性好、精度高、耐久及穩(wěn)定性都好等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)中小橋難度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

4.3裂縫監(jiān)測(cè)

中小型混凝土橋梁裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會(huì)直接導(dǎo)致橋梁的使用性能退化和其他病害的產(chǎn)生。因此裂縫也是中小跨混凝土橋梁安全監(jiān)測(cè)的基本參數(shù)之一。

混凝土裂縫監(jiān)測(cè)方法主要有：振弦式表面型裂縫計(jì)、光纖光柵裂縫監(jiān)測(cè)方法、圖像監(jiān)測(cè)方法、SMA裂縫監(jiān)測(cè)方法和機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測(cè)方法等。

中小橋梁考慮經(jīng)濟(jì)性、操作方便性和安全性，對(duì)于已有橋梁裂縫寬度監(jiān)測(cè)推薦采用振弦式表面安裝型裂縫計(jì)。

VWD型振弦式測(cè)縫計(jì)可以測(cè)量0～20mm寬度范圍的裂縫，靈敏度≤0.01k/（mm/F），測(cè)量精度±0.1%F.S，常用于混凝土裂縫的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展會(huì)引起位移計(jì)位移的變化，進(jìn)而引起測(cè)縫計(jì)振動(dòng)頻率的變化。頻率信號(hào)被傳輸至數(shù)據(jù)讀取裝置，即可測(cè)出被測(cè)裂縫的寬度。

4.4溫度監(jiān)測(cè)

目前應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)的振動(dòng)傳感器主要有壓電式振動(dòng)傳感器、電容式MEMS振動(dòng)傳感器、電感式振動(dòng)傳感器等。

壓電振動(dòng)傳感器抗磁場(chǎng)干擾能力差，電容式MEMS振動(dòng)度傳感器壽命短、靈敏度低，電感式振動(dòng)傳感器對(duì)溫度敏感會(huì)引起導(dǎo)磁率發(fā)生變化，使線圈磁場(chǎng)發(fā)生溫度漂移，均難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。

光纖光柵振動(dòng)傳感器頻率測(cè)量范圍、溫度適應(yīng)范圍和可靠性等方面均滿足橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基本需求，并且外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)最常用傳感器。

5 結(jié)論

對(duì)于數(shù)量眾多，占絕大多數(shù)比重的中小橋梁的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以做到防患于未然，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義; 根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理的選取監(jiān)測(cè)參數(shù)，建立適用、可靠、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中、小跨徑橋梁安全運(yùn)營(yíng)的堅(jiān)實(shí)保障。

[1]賈永奎，肖衛(wèi)國(guó)，王建豐，張洪波.中小跨徑橋梁撓度監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J].橋隧過(guò)程，2015 年 1 期( 總第 121 期) .

[2]陶祥林,雷震.中小橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010.10.

[3]李祥輝.中、小跨徑混凝土梁橋健康監(jiān)測(cè)研究[J].北方交通，2012.12.

[4]陳哲宇.中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及其應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2014.

[5]韓基剛.中、小跨徑混凝土梁橋健康監(jiān)測(cè)分析[J].黑龍江科技信息，2015.12.

[6]王文俊，潘 靜，吳佳曄.中小型橋梁廣域健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),2011.10,第 24 卷第5期.

[7]張俊.光纖光柵傳感器在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.交通科技[J]，2016年第6期.

[8]中、小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[9]秦權(quán).橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2000.6

TU714

B

1007-6344（2017）06-0283-01

屈浩然（1988-），男，山東魚(yú)臺(tái)人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：橋梁安全監(jiān)測(cè)，大跨徑橋梁計(jì)算分析與施工監(jiān)控。