装配式简支板梁桥铰缝监测技术研究

谭明 宋文杰

武汉汇科质量检测有限责任公司—

摘要：装配式简支板梁桥因铰缝失效而引起的垮塌事故时有发生，而传统的铰缝监测手段具有局限性，无法满足当前的市场需求，本文结合某装配式简支板梁桥的铰缝监测项目实例，采用铰缝监测系统对该桥进行为期一年的在线实时监测，并结合了人工定期检查结论，发现铰缝在线监测数据和人工检查数据相吻合，印证了铰缝监测系统的效用价值。

关键词：装配式简支板梁桥；铰缝；相对位移；铰缝监测系统

1、引言

随着我国经济的发展，各种桥梁新兴建设工艺技术不断涌现，在桥梁建设的大浪潮中，为适应经济的快速发展，桥梁建设周期的缩短是符合时代发展趋势的，故而简易的桥梁结构形式更加受重要。在简易桥梁结构中，简支板梁有点突出，自重轻性能好，制造周期短并且方便调配安装，成为了中小型桥梁中最常用的上部结构形式。

在国家经济快速发展的情形下，随之而来的是交通压力的不断增加，尤其近年，车辆超限超载问题日益严重，而预制空心板梁桥多为中小桥，其设计荷载相对较低，超重车辆导致梁板间需要传递的剪力大幅增加，梁板间铰缝在超载车辆长期反复作用下，由于无法承受如此大而频繁的作用导致铰缝破坏，从而形成了“单板受力”，单个的梁板无法将所承受的荷载横向传递出去，造成单片梁所承受的荷载超过自身的承载能力，最后导致桥梁的垮塌（如图1）。

a纵缝产生 b碎裂带发展

c单板受力 d桥梁垮塌

图1铰缝失效危害

近年来因铰缝失效而引起的桥梁垮塌事故也时有发生，给国家和人民带来了严重的损失，因此加强对此类病害的养护维修迫在眉睫。而在所有的桥梁中，装配式中小桥梁占到了90%以上，按照常规的养管措施，需要投入大量的人力物力才能满足正常的养护水平^[1]。因此如果开发一种低成本的智能铰缝监测系统，就能够大大提高地提高管养效率。

2、研究现状

针对空心板梁铰缝破损这一课题，国内学术界有着大量的讨论与学术成果，其中的一种观念是：在进行铰缝破损程度评定时，要综合多种维度评估，仅仅依靠外观检测的结果评定是不够全面的，需要引入别的参数来进行评定，国内一学者通过对大量铰缝检测结果进行数据分析发现一个趋势^[2]，在板梁受到施加荷载作用时，两相邻板梁之间会产生相对位移，而相对位移的大小与铰缝破损存在关联，通过大量的数据分析，引入一个新的参数值α来评估铰缝受损程度，公式如下：

式中： 为实测相对位移（单位：m）； 为跨径（单位：m）；10000为系数。

该方法能够对铰缝进行实时监测同时还能及时发现铰缝的破坏程度，同时能够及时反馈该桥梁是否存在单板受力现象，从而避免桥梁安全事故的发生。

“相对位移法”监测空心板梁桥铰缝破损情况的方式更加直观，测量数据与铰缝破损程度关联度更高，并且监测方式便捷，监测过程中不会造成城市交通拥堵与局部交通压力增大，这一优势与增加城市通行效率大趋势是符合的。并且在检测成本这一方面，“相对位移法”消耗更好，测量数据能够直接指导后期加固工作，大大降低了桥梁养护成本。

3、监测原理

现有相对位移法检测铰缝破损技术中，常采用两种检测方式，一种是采用电阻式位移传感器，该方法利用电阻随着位移变化而变化的原理，对电阻值与位移值形成公式对应关系，从而通过电阻值换算位移值，再判断相邻板梁的相对位移是否处于安全范围。静力水准仪则是利用水平原理，正常状态下储液桶内液面是水平的，当相邻板梁发生相对位移是，液面也随之发生变化，通过测量变化值来换算相对位移值。但是这两种方法所采用的传感器使用起来都不方便，并且无法实现连续采集，数据精度也不够，自身重量大导致安装与移动都不方便。

本文介绍的铰缝监测系统通过在主梁底部安装拉绳位移传感器、数据采集器、数据发射模块等硬件，将主梁的挠度数据实时发送到服务器，实时掌握桥梁的安全情况，同时，系统提供自动报警功能，一旦桥梁数据超过警戒值，系统将自动报警，实现了全天候对桥梁横向联系的监测功能。

3.1、监测系统简介

该系统主要由传感器、采集器和客户端三部分组成。

传感器（图2）的工作原理是：由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器采用绝对（独立）编码器，编码器把机械运动位移量转换成可以计量、记录且能传送的电信号，传给数据采集器。该传感器的钢丝绳采用进口不锈钢多股钢丝绳，使用时，向外拉出钢丝绳，钢丝绳的另一端由自卷弹簧始终收紧，由钢丝绳的直线位移转化成旋转量通过测量轮进行测量。因为钢丝绳测量轮、卷簧轮与传感器同轴联动，故连接误差可以降低至最小，该传感器的精度可达0.1毫米。由于该传感器与被测物体软性连接，所以抗震性能优越、使用寿命长。

此种传感器量程达到300mm，精度0.1mm，采样频率达到100Hz；结构简单、新颖，使用方便；采用机械式自动化检测的方法对相对位移进行直接的测量，具有数据精度高、抗干扰性强、数据可靠、量程大、采样频率高，体积小、安装方便等优点。

1—齿轮；2—编码器；3—钢丝绳；4—拉环；5—外壳；6—连接件

图2铰缝相对位移测量装置示意图

采集器原理如下：采用12V直流供电，功耗较小；采用RS485通讯协议，及时准确采集传感器数据；最多支持8通道，即可以对8个传感器进行数据采集；单个传感器的采集频率：6～7Hz；将采集到的数据进行打包，并通过GPRS数据传输技术，每间隔3s向服务器上传一次数据包。

客户端可实时调取服务器的数据，实时了解桥梁健康状态。同时设置二级报警制度，用户可设置红色报警警戒值和黄色报警警戒值，传感器的数据一旦超过警戒值，软件将自动报警。并且实现历史数据实时查询，并可统计一定时间内的报警次数和报警级别。

3.2、监测方法

传感器与数据采集仪连接，在不封闭交通的情况下，二十四小时不间断采集信号，

同时采集仪与电脑连接，将采集的数据输送至电脑存储，数据采用动态信号分析系统进行分析，找出相对位移绝对值最大的一个，用来评价该铰缝的损坏程度。

3.3、评估原理

空心板梁间的相对位移值主要与铰缝病害程度有关，其次还包括梁板自身的一些因素，其中跨径就是一个最主要的因素，在相同病害情况下，随着跨径的增加，相对位移也随之增加，且按线性关系增加。因此，用相对位移除以跨径而得到的无量纲参数来表示铰缝病害程度，计算公式见式⑴，判定铰缝病害状态的界限值。

当铰缝的无量纲参数α<0.14时，认为铰缝完好；当铰缝的无量纲参数α介于0.14~0.57之间时，可认为铰缝损坏；当铰缝的无量纲参数α>0.57时，则认为铰缝已破坏。故本次检测将以此无量纲参数α的界限值作为板梁铰缝损坏程度的评判标准。

4、工程应用

某桥为三跨预应力简支空心板梁桥，跨径组合为：22m+22m+22m=66m，该桥顺交角度约45度。横向布置为：0.4m（防撞墙）+8.0m（机动车道）+0.4m（防撞墙）=8.8m。该桥为装配式简支空心板梁桥，且跨径相对较长，此种类型桥梁可通过铰缝横向传递荷载，从而大幅度加强了桥梁整体的承载性能，而在长期重车荷载下极易造成桥梁横向联系损伤、失效，导致单梁受力，严重危害桥梁结构安全。

根据该桥的现场调查，选取病害较为严重的中跨跨中断面，作为铰缝监测断面，选取监测断面上8榀板梁间的7条铰缝作为测点。测点布置图。

通过一个月（2018年4月）监测可以发现，铰缝监测系统正常运营，未出现数据采集错误、铰缝传感器及采集仪异常工作、网络传输异常以及该模块软件客户端运行异常等异常问题，4月份的铰缝的监测数据（每日最大值）见表2。

表2 2018年4月铰缝监测数据（绝对值）

日期	1# （mm）	2# （mm）	3# （mm）	4# （mm）	5# （mm）	6# （mm）	7# （mm）
2018-4-1	0.0	0.2	0.2	0.5	0.2	0.3	0.0
2018-4-2	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-3	0.0	0.2	0.3	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-4	0.0	0.3	0.1	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-5	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.1
2018-4-6	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-7	0.0	0.1	0.3	0.4	0.2	0.2	0.0
2018-4-8	0.0	0.2	0.2	0.3	0.2	0.4	0.0
2018-4-9	0.1	0.2	0.1	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-10	0.0	0.2	0.3	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-11	0.0	0.1	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-12	0.0	0.2	0.1	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-13	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-14	0.0	0.2	0.2	0.5	0.2	0.4	0.1
2018-4-15	0.0	0.2	0.1	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-16	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-17	0.1	0.3	0.2	0.5	0.2	0.4	0.0
2018-4-18	0.0	0.2	0.1	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-19	0.0	0.3	0.2	0.4	0.2	0.2	0.0
2018-4-20	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-21	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-22	0.1	0.2	0.1	0.6	0.2	0.5	0.0
2018-4-23	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-24	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.0
2018-4-25	0.0	0.2	0.1	0.4	0.2	0.3	0.0
2018-4-26	0.0	0.1	0.2	0.3	0.2	0.4	0.0
2018-4-27	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.2	0.0
2018-4-28	0.0	0.2	0.1	0.5	0.2	0.4	0.0
2018-4-29	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.4	0.1
2018-4-30	0.0	0.2	0.2	0.4	0.2	0.3	0.0

由表2计算可得该桥铰缝损坏两侧梁板相对位移的临界值为0.31mm，而铰缝破坏时临界值为1.25mm。

通过对比临界值与4月份的监测数据发现，该桥中跨1~7#铰缝除4#与6#铰缝外其他5条铰缝的监测数据均小于铰缝损坏的临界值0.31mm，监测数据均在安全范围内变化，铰缝完好，无损坏迹象；而4#与6#铰缝两侧相对位移均有大于铰缝损坏临界值0.31mm的现象但小于破坏的临界值1.25mm，且4#铰缝监测数据均大于6#铰缝，说明4#及6#铰缝均已产生铰缝损坏的迹象，且4#铰缝损坏程度较6#铰缝严重。

5、结论及建议

截止目前，已有大量的桥梁正逐步进入老化期，梁桥的养护加固任务也逐渐加大，传统的目测和荷载试验，周期长且需要大量人力财力，而利用“相对位移法”的铰缝监测系统可以实时对铰缝工作状态进行监控，在桥梁使用过程中及时发现存在的隐患，从而为桥梁的安全奠定了坚实的保障基础，同时又避免了对正常交通的影响，是一种经济、高效的铰缝检测方法。

铰缝“相对位移法”检测技术还处于初步应用推广阶段，随着铰缝专项检测技术的日趋成熟，市场认知度的提高及规范化的加强，相信铰缝专项检测的市场需求会逐渐加大。

本文中的铰缝监测系统采用的是机械式传感器，与电阻式和静力水准仪相比，受环境因素影响小，并且采集频率高，大大提高了监测数据的精确性，为准确判断铰缝的工作状态提供科学的依据，具有很高的工程实用价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1] DG/TJ 08-2194-2016 桥梁结构监测技术规程[S].上海：同济大学出版社，2016

[2] 钱寅泉 周正茂等. 基于相对位移法的铰缝破损程度检测[J]. 公路交通科技，2012，29(7)：76-87