山区某加固连续钢构桥梁结构健康监测系统测点优化研究

邱小龙

【摘要】：目前，桥梁健康监测预警分析在国内外都属于热点内容。科学技术的发展推动着桥梁结构向着复杂化的方向发展，整个社会对桥梁安全性、耐久性注入了更多的关注，桥梁健康监测与评估系统也应运而生。本文主要针对桥梁结构健康监测系统测点优化研究，提出相关建议。

【关键词】：山区公路；桥梁架构健康监测系统；加固连续钢构；监测分析

引言

2021年3月1日，交通运输部发布《交通运输部办公厅关于印发〈公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案〉的通知》（交办公路〔2021〕21号），明确跨江跨海跨峡谷等长大桥梁结构健康开展实施监测的原则及具体要求，通过动态监测，实施了解长大桥梁结构运行状况，预防重大安全风险事故的发生，提升桥梁结构监测能力，确保桥梁安全。文中以贵州境内XX高速公路加固的连续钢构桥梁xx特大桥进行健康监测系统建设为例，探讨加固连续钢构桥梁结构健康监测系统测点优化的方法。

1工程概况

xx特大桥位于xx高速公路，桥梁全场7百多米。桥梁跨径组合为8*30米（预应力混凝土简直T梁）+122+210+122米（连续刚构桥）。引桥下部结构采用四柱式桥墩，引桥桥台为四柱式轻型桥台。主桥下部结构交界墩采用整体式单薄壁实心墩，基础采用单排桩基础。主墩采用双薄壁墩身，基础采用群桩基础，桥台采用桩基承台式桥台。引桥桥面连续仅在桥台处和引桥中部处设置伸缩缝装置。引桥采用滑板支座，其余各墩采用板式橡胶支座。主桥过渡墩采用盆式橡胶支座。本桥出现过腹板开裂，已对裂缝进行补缝及外加钢板加固处置。

2运营期监测重点分析

根据该桥结构及环境特点，该桥运营期监测部分重点如下所示：

2.1温度效应

桥址处年温差较大，结构受温度影响明显。同时，由于日照强度差异，结构温度场分布不均匀，使得结构产生较大变形和附加应力，影响结构长期性能能。在一些超静定结构中，温度梯度应力甚至高于活载效应。因此，温度效应监测是大跨度桥梁监测中必不可少的一部分。

2.2路面结冰

贵州山区典型的冰凌灾害，冷空气活动频繁，雨雪、团雾、凝冻等对交通运输安全影响较大。进行监测方法和报警应急响应机制的研究，以期降低冬季路面结冰引起的交通事故率，具有较强的示范应用价值。

2.3结构裂缝

混凝土开裂是运营期桥梁结构的常见病害之一，当裂缝发展到一程度时，造成桥梁刚度下降，影响桥梁行车安全。此外，裂缝的持续扩展会导致水汽进入混凝土内部，造成钢筋锈蚀，钢筋锈胀会撑开保护层混凝土，进一步导致混凝土破损和裂缝扩展。因此，需加强对该桥结构裂缝的监测。

2.4关键构件的受力及变化

随着使用时间的增加，大桥因受到气候、腐蚀和老化等因素的影响，强度与刚度出现逐渐下降，影响行车安全，同时桥梁使用寿命会出现一定的缩短。为评估大桥在营运期间的承载能力、工作状态和耐久性能，需对关键构件的受力及变形加强监测。

2.5结构动力特性

结构动力特性是桥梁抗震、抗风和结构性能评估的重要参数之一，也是结构模型修正必不可少的参数之一。因此结构动力特征监测必不可少。

3实施目标

使用健康监测系统需要达到以下目标：利用多种监测手段，对桥梁的结构参数、力学性能指标开展连续不间断的、全面监测，并根据监测数据对大桥状态进行评估，在结构运营状态严重异常时发出预警，为其日常的管养维修决策提供参考和指导。

3.1视频监控

基于人工智能、图像识别技术，探索将视频摄像应用于桥梁巡检工作，实现桥梁的自动、定期巡查，以减少目前人工巡检工作。另外，可基于视频监控延伸开发火灾、车祸、拥堵等自动识别的报警功能；

3.2记录可能经理的重大荷载及事故

记录大风、超重交通荷载及车辆撞击等突发情况下的状况，评估桥梁结构的内力状态的改变以及可能出现的损伤，确保桥梁安全，除此之外，当桥梁遭遇突发性荷载或者损伤的时候，系统可以及时发出警报。

3.3结构响应监测

对该桥运营状态下变形、应力、结构、偏位等进行监测，了解桥梁的受力状态与实际工作状态，对不同应力、变形变位水准下桥梁的可靠度与安全性进行评估，对可能出现的安全隐患或者桥梁性能的变化进行预报。监测桥梁的振动响应，分析桥梁的动力性能，对其是否存在有害振动进行判断，为损伤和抗震性能评估提供依据。

3.4结构动态跟踪

对该桥日常运行结构的动态跟踪检查以及桥梁环境条件进行监测，及时发现桥梁结构质量缺陷以及质量衰变，并结合桥梁所处的环境，对其结构安全的发展趋势进行预测，找出可能存在的安全隐患，为桥梁维修养护方案的决策提供依据。

3.5建立科学有效的自动化结构状态预警及安全评估机制和软件系统

根据监测数据及时对异常结构响应实施预警报警；在系统中设置结构安全预警值，通过对桥梁结构安全性、可靠性的评估，为运营单位及管理人员提供等级预警信息，一旦桥梁性能退化，达到预警值，系统将发出警报，并对结构安全和正常使用状况进行评估，为桥梁管养决策提供参考，提示加强结构检查及维修。

4传感器模块优化

4.1环境温湿度

桥梁地处雨量充沛、温暖湿润，年平均相对湿度大，自然环境时加劲梁系统等钢构件可能发生腐蚀作用，另外还需要进行温度与应力监测、主梁纵向位移、主梁挠度之间的相关性分析。因此，需要对桥梁运营环境的温湿度情况进行监测以达到以下主要目的：监控主梁处空气温湿度状况，辅助指导钢构桥的养护维护工作，并协助监管梁各部的湿度状况，作为分析结构状态和结构损伤发展状态的重要参数指标。

4.2路面结冰

根据贵州气候特点，容易出现冰凌现象，路面结冰给车辆行驶带来巨大的交通安全隐患，不仅严重影响交通安全运输，还会造成生命财产严重损失。桥面结冰监测报警系统，针对桥面进行实时监测，将桥面结冰监测报警信息及时传送到管养部门，为管理部门实时管控提供科学依据，有利于进一步保障道路交通安全。

4.3主梁变位

采用挠度计设置在桥面线型控制点对主梁变位进行监测。加劲梁作为直接承受车辆荷载的结构，起空间变形反映当前大桥内力状态的重要指标，是桥梁运营期间安全性报警的重要信息。进行主梁空间变位监测可以作为运营期间安全性报警的重要信息、可以作为行车舒适性和桥梁适用性评价的直接指标。

4.4梁端纵向位移

利用位移计对梁端纵向位移进行监测，加劲梁在交通、地震、温度及风荷载等的作用下将会产生一定的纵向位移，监测梁端位移可以作为运营期间安全性报警的重要信息、可作为评估梁端安全使用状态的依据、可作为直观评估大桥内力状态的重要参数。

4.5主梁

桥梁动力特性参数，包括频率、振型、模态阻尼系数等，能够反映出桥梁构件质量的退化程度。利用加速度传感器对主梁振动进行监测，可以获得桥梁动力特性参数值。当监测数据显示振动幅值、自振频率等的变化，则预示着结构的刚度降低和局部破坏，或约束条件的改变。所以进行结构动力及振动特性监测可以从整体使用状态上把握结构的安全使用状况、是进行结构损伤评估的重要依据。

结语

总之，桥梁健康监测内容及测点布设应按照“一桥一策”的原则，针对该桥型特点、疲劳和病害监测需求，考虑到桥梁各构件的重要性及易损性，同时兼顾规范要求，重点围绕监测桥梁主要受力体系进行布置。在精度满足要求的基础上，尽可能使用技术先进、环境适应性好、耐久性、可靠性、便于更换维护的传感测试设备及其配套设施。

参考文献

[1]《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》（2021）；

[2]《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》JT/T 1037-2016；

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