桥梁安全监测系统在大型桥梁病害监控上的应用

曹少杰

山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司山西省运城市044000

摘要：根据对我国近30年来修建的主跨60m至270m的部分跨度较大PC梁桥的调查结果显示，所调查的所有桥梁均出现了不同程度的裂缝情况，近20年来修建的预应力混凝土连续梁桥最为严重。事实上，桥梁结构出现裂缝后其抗弯刚度会有所降低，这样结构的挠度就会增加，从而加剧了裂缝的进一步发展，由此恶性循环，桥梁的极限承载能力将会逐年降低，对桥梁的安全性和耐久性带来了危害。对此，文章以桥梁工程实例，介绍了桥梁安全监测系统在旧桥病害监控过程中的基本工作方式、病害检测的内容。

关键词：桥梁安全；安全监测系统；桥梁病害监控

1桥梁病害问题与原因

第一，桥梁承载较低。现阶段，较早建成的桥梁在施工设计过程中会受到工艺技术、造价等制约，更注重当前交通需求的满足。不过，伴随着交通运输业的进步，交通压力逐渐增加使得有着较长运行时间的公路桥梁承载能力降低，无法满足现阶段承载要求。加之，施工过程中由于桥梁并未达到标准要求导致承载力降低，长此以往出现桥梁病害问题。第二，工艺技术不当。桥梁施工中，工艺技术是其核心，施工中难免会出现突发状况而无法保证工程质量。此外，施工人员的不规范操作也会制约施工质量，在后续使用时问题不断暴露。第三，使用时间较长，受损严重。在桥梁承载高出承重范围，桥梁就会受损严重，出现地基沉陷、桥梁出现缝隙。此时，若养护单位未及时整修、检测，将使桥梁病害问题加剧。另一方面，交通事故、自然灾害等在一定程度上也会影响桥梁质量。

2大型桥梁运营养护与安全管理现状

我国大部分桥梁的运营养护与安全管理均处于起步阶段：①不论是日常巡检还是定期检测，相关数据均是离散的、有限的，导致对既有桥梁的运营养护与安全管理只能是根据经验周期采集数据进而开展分析决策，无法及时探明特殊情况并做出快速响应；②现有检测手段虽然可提供如索力等众多反映桥梁结构安全的指标状态，但是检测结果还难以指导诸如养护维修计划编制及资金合理划拨等精细化、科学化管理养护工作的开展；③由于上述基础数据在指标上的离散性，时间上的不连续性，有时甚至是突发应急采集的检测数据，因此难以建立起能够反映大型桥梁结构运营安全的基础数据库，在实际管理中更难以开展趋势性分析与预警；④对桥梁运营养护与安全管理单位而言，随着所管辖桥梁的逐年增多，上述问题日益突出，偏于制度化的经验性桥梁运营养护与安全管理模式已经难以适应当代以信息化为手段，以实时性、精细化、趋势预警为目标来保障大型桥梁运营养护与安全管理“实时、高效、科学、全面”的总体要求。因此，经常会出现“重建轻养”的情况，养护管理不到位、不得法，出问题后才被动地进行检测维修加固，造成了极大的资源浪费和不良的社会影响。

3桥梁安全监测系统在大型桥梁病害监控上的应用

3.1应用案例一

3.1.1工程概况

某桥梁建于2006年，由主桥和东西引桥组成，共27跨，主桥跨越铁路线。桥梁总长1250m，其中桥梁结构长961.43m，东引道长137.85m，西引道长150.72m。主桥采用（65.55+110+65.55）m三孔变截面预应力混凝土连续箱梁。

3.1.2监测内容

该桥梁主线上部结构均为预应力钢筋混凝土连续箱梁，其典型的病害特征主要表现为下挠过大、腹板易产生裂缝。显然，结构的“竖向最大变形”及“腹板最大裂缝宽度”的发展直接与结构的安全性密切相关。另一方面，桥梁变形也是反应桥梁整体刚度的重要指标，是桥梁结构安全评价的重要依据，与桥梁的承载能力有密切关系；裂缝的发展可导致钢筋的锈蚀，进而影响结构耐久性。

3.1.3在线监测、安全预警

在测点布置完成以后，安全监控系统将实时地将桥梁结构测点位置的裂缝变化数据和挠度变化数据传输给桥梁的管养部门，在裂缝和挠度数据发生异常变化时，又能够及时地进行安全预警。根据挠度和裂缝的数据，能及时地对桥梁的使用状态进行分析。部分数据反映的桥梁状态情况如下：（1）不同类型传感器数据之间关联性较好。这表明数据有效性。（2）关键监测参数跨中，位移和裂缝宽度发展较稳定。这表明桥梁在该监测时段运营状况正常。（3）随着运营时间的增加，桥梁并未发生较大的纵向位移。这说明桥梁的刚度未降低，桥梁的使用性能较好。（4）不同时段监测的自振频率较为接近。这说明桥梁的刚度未发生明显的变化。（5）车辆荷载对桥梁的影响主要表现为瞬时性变化，车辆过桥后，桥梁恢复至初始状态。这说明桥梁处于弹性工作状态。

3.2应用案例二

3.2.1工程实例

某道路桥梁全长约1516.2m、宽30m，双向6车道，设计车速为50km/h，项目包含1座大桥，设计使用年限为100a，安全等级为一级，设计汽车荷载为城市-B级，桥下无通航要求。桥梁全长123.6m，主桥跨径布置为32m+52m+32m变截面刚构-连续组合梁桥。主桥桥面宽37.6m，箱梁顶板宽31.6m，底板宽23.6m，主桥采用C50混凝土，合龙段为C55混凝土。箱梁顶板设双向2%横坡。

3.2.2监测过程分析

本次高支模预压监测共持续12h（监测结果按每30min/次频率提取数据，监测时段不足30min按30min计)，共24个时段，1440个采样间隔，8640个频段，共采集数据34560组，通过系统数据处理与加工分析，得到最终监测结果：预压过程中累计最大变化为测点5，沉降变化值为6.9mm，位移变化值为5.7mm，倾角变化值为0.12°，轴力变化值为10.8kN。测点5位于箱梁跨中位置，承受预压荷载较大，竖向受压明显，抗剪要求高，受力变化大，是箱梁体的关键薄弱部位。各监测点变化值均未超过设计报警值，支撑体系处于安全可控状态。在逐级加压过程中，由于支架荷载不断加大，支撑体系受力明显，各监测点变化也随之加大，呈逐渐上升趋势。当加载达到最大荷载值时，支撑体系变形也达到最大值，且趋于一种稳定状态。随着支撑体系的不断卸载，变形值也逐渐减小，最终回归初始状态。通过支架加载与卸载过程，及时掌握支撑体系的受力变化与预压变形值，为优化施工提供合理依据。

4结束语

随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，针对桥梁安全监测的研究与监测系统的开发应运而生。与传统人工检查方法不同，安全监测可以实时监控结构的运营状态，是相对动态的。它主要是指利用现场安装的且对结构安全无损的传感器元件，对结构进行长期的在线监测，并有效地利用监测信息反演结构的状态，识别结构中的损伤。

参考文献

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