譚二軍

摘要：橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心任務(wù)是獲得環(huán)境、荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行綜合評(píng)估的基礎(chǔ)上獲得行車和結(jié)構(gòu)的雙重安全狀態(tài)信息，為結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)提供成套技術(shù)支持。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)包括不同測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)變、加速度、和環(huán)境激勵(lì)等數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量隨時(shí)間的變化不斷增加。這表征不同空域和時(shí)間域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息的載體，充分利用數(shù)據(jù)所包含的信息對(duì)精確評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是至關(guān)重要的，因此針對(duì)不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式制定不同的監(jiān)測(cè)方法。 本文以某橋全長(zhǎng)537.4m，橋面寬18m，行車道寬14m，兩側(cè)人行道寬2m的系桿拱橋的健康監(jiān)測(cè)方法為例進(jìn)行作健康監(jiān)測(cè)方法分析。

Abstract： The core task of the bridge health monitoring system is to obtain environmental， load and structural response， local damage and other information. Based on the comprehensive evaluation of the monitoring information， the dual safety status information of the driving and structure is obtained， which provides efficient technical support for efficient and economic operation of the structure. In the structural health monitoring system， the number collected from the field includes data such as displacement， strain， acceleration， and environmental excitation of different measuring points， and the amount of data changes with time. This indicates that the real-time monitoring data of different airspace and time domains is the carrier of the bridge structure health status information. Making full use of the information contained in the data is crucial for accurately assessing the health status of the bridge structure. Therefore， different monitoring methods are formulated for different types of bridge structures. In this paper， the health monitoring method of a bridge with a total length of 537.4m， a bridge width of 18m， a lane width of 14m and a sidewalk width of 2m on both sides is taken as an example for health monitoring.

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；溫濕度；線形；吊索力；內(nèi)力；結(jié)構(gòu)

Key words： wind load；temperature and humidity；linear shape；sling force；internal force；structure

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）29-0202-03

1 風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)

風(fēng)荷載是大型橋梁的荷載源之一，采用風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)了解橋址處環(huán)境風(fēng)力、風(fēng)向變化情況，為分析橋梁的工作環(huán)境、評(píng)價(jià)行車安全狀況、提供養(yǎng)管信息、驗(yàn)證橋梁風(fēng)振理論，以及研究極限風(fēng)環(huán)境下的大橋工作狀況提供了依據(jù)。通過(guò)采集三個(gè)正交方向的風(fēng)速時(shí)間歷程；繪制平均風(fēng)和陣風(fēng)的風(fēng)玫瑰圖，繪制風(fēng)向-風(fēng)速圖，求出并繪制梯度風(fēng)和陣風(fēng)的剖面；計(jì)算三秒陣風(fēng)風(fēng)速、一分鐘平均風(fēng)速、十分鐘平均風(fēng)速及一小時(shí)平均風(fēng)速；計(jì)算風(fēng)紊流強(qiáng)度、風(fēng)譜、幅譜及相關(guān)性；找出安裝了位移、加速度等傳感器的橋梁響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系，以及構(gòu)件應(yīng)變與風(fēng)參數(shù)的關(guān)系。

采用風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，采樣頻率5Hz。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部署位置的環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。為監(jiān)測(cè)大橋在風(fēng)環(huán)境下的工作狀態(tài)提供數(shù)據(jù)，為分析橋梁在風(fēng)環(huán)境下的狀態(tài)、行車安全、驗(yàn)證橋梁風(fēng)振理論提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，宜在主跨跨中橋面上游布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，并用1個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 溫濕度監(jiān)測(cè)

大氣溫濕度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測(cè)重要內(nèi)容。大橋采用箱梁，監(jiān)測(cè)箱梁內(nèi)溫濕度也非常重要，運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)工作中，就需要經(jīng)常進(jìn)行箱梁溫濕度檢測(cè)。通過(guò)采集橋面及箱梁內(nèi)大氣溫度及相對(duì)濕度參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出每小時(shí)、每天、每月、每年的大氣溫度及相對(duì)濕度值及其變化，繪制出時(shí)間歷程趨勢(shì)圖。

采用溫濕度計(jì)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，采樣頻率每1分鐘采樣一次。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)位置的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。為分析橋梁在環(huán)境溫度下結(jié)構(gòu)受力和變形、結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，應(yīng)用1個(gè)溫濕度計(jì)在主跨跨中橋面上游布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 主梁線形監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋主梁撓度/線形變化，研究撓度變化與環(huán)境變化（風(fēng)、溫度、交通荷載）的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供資料。根據(jù)系桿拱橋設(shè)計(jì)資料，該橋主跨跨徑大，而主梁撓度是評(píng)價(jià)主梁以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須檢測(cè)的內(nèi)容。

采用靜力水準(zhǔn)儀連續(xù)采集，滿足同步測(cè)量要求，采樣頻率1Hz，監(jiān)測(cè)主梁在荷載作用下的豎向變形，評(píng)判主梁長(zhǎng)期線形變化情況，為主梁工作狀態(tài)的評(píng)定提供依據(jù)。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，宜選取主橋6分點(diǎn)截面（不含拱腳），共計(jì)5個(gè)截面，上下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)在橋面的主拱座處上下游各布置水準(zhǔn)測(cè)量基站，用12個(gè)靜力水準(zhǔn)儀對(duì)主梁撓度/線形進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 吊索力監(jiān)測(cè)

吊索是大橋最重要的構(gòu)件之一，而索力是評(píng)價(jià)索以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，同時(shí)吊索風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)也是非常重要的。目前進(jìn)行索力測(cè)度方法很多，有通過(guò)壓力傳感器測(cè)試驗(yàn)的直接方法，有通過(guò)測(cè)試振動(dòng)信號(hào)得到索的固有頻率的振動(dòng)法，有通過(guò)光纖傳感器測(cè)試索的應(yīng)變值得到索力的方法。本橋系統(tǒng)采用加速度傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)部分索的索力。使用振動(dòng)法將測(cè)得的加速度值計(jì)算出頻譜能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出索力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握吊索的拉力情況，為評(píng)估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)的目的。

采用光纖光柵加速度計(jì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，采集頻率為50Hz，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)期間吊索索力的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析成橋狀態(tài)時(shí)吊索的力學(xué)性能，定期對(duì)吊索的安全狀態(tài)作出評(píng)估，為預(yù)警系統(tǒng)中閾值的設(shè)定、調(diào)整提供參考，及時(shí)對(duì)吊索的病害進(jìn)行處理，避免索力重分布對(duì)整座橋梁造成的不利影響。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，宜選取相對(duì)數(shù)量（一般10對(duì)以上）的吊索，上下游對(duì)稱布置。2倍數(shù)量的光纖光柵加速度計(jì)，對(duì)吊索索力進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 系桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)

系桿作為系桿拱橋的主要受力構(gòu)件，起著平衡主拱水平推力、降低支座水平反力的作用。同時(shí)，系桿內(nèi)力相當(dāng)于箱拱結(jié)構(gòu)的整體預(yù)應(yīng)力，可明顯地改善該結(jié)構(gòu)的豎向變形特性，對(duì)保證橋面行車平順性有著不可忽視的作用。因此，將新城大橋系桿索力納入到監(jiān)測(cè)內(nèi)容，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系桿內(nèi)力變化，把握大橋整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

采用光纖光柵加速度計(jì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，采集頻率為50Hz，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)期間系桿索力的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析成橋狀態(tài)時(shí)系桿的力學(xué)性能，定期對(duì)系桿的安全狀態(tài)作出評(píng)估，為預(yù)警系統(tǒng)中閾值的設(shè)定、調(diào)整提供參考，及時(shí)對(duì)系桿的病害進(jìn)行處理，避免索力重分布對(duì)整座橋梁造成的不利影響。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，宜對(duì)四組系桿均進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于系桿長(zhǎng)度較大，沿橋梁縱向布置的系桿限位器等可能造成系桿內(nèi)力沿通長(zhǎng)方向分布不均，系桿索力監(jiān)測(cè)時(shí)選取了主拱兩端同時(shí)進(jìn)行，避免單側(cè)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)極小而不利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)?？捎?5～20個(gè)單向加速度計(jì)對(duì)系桿索力進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6 伸縮縫變形監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主橋主梁的縱向位移與轉(zhuǎn)角，為評(píng)估風(fēng)荷載、船撞、地震、交通對(duì)主梁的作用提供依據(jù)。同時(shí)橋梁進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，伸縮縫/支座是易于損壞的構(gòu)建，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伸縮縫/支座處的位移，能夠了解支座位移/主梁整體變形情況。由于主橋主梁是一個(gè)整體，為提高效率節(jié)省資源，支座位移與伸縮縫位移可合并監(jiān)測(cè)，能達(dá)到同樣效果。

采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)，采樣頻率1Hz，通過(guò)對(duì)梁體縱向位移的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)評(píng)估伸縮縫裝置以及梁端支座是否處于彈性工作階段，及時(shí)根據(jù)其數(shù)值變化對(duì)伸縮縫進(jìn)行檢查和清理，并統(tǒng)計(jì)支座累計(jì)變形量值，為主梁的整體變形能力和結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評(píng)估提供參考。滿足實(shí)時(shí)測(cè)量要求，根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)在主梁兩端上下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)支座位移/主梁整體變形進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

7 結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目的是了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。箱梁的損傷對(duì)橋梁使用性能的影響是直接的，對(duì)箱梁重要的、有代表性的斷面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可以了解作為主要承力構(gòu)件的箱梁的受力狀態(tài)，及時(shí)診斷橋梁的病害、控制車輛荷載測(cè)驗(yàn)及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析是必要的。

采用光纖應(yīng)變計(jì)采樣頻率10Hz，通過(guò)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)構(gòu)對(duì)于不同荷載的響應(yīng)程度，與理論分析結(jié)果一同作為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估的依據(jù)。結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行“異?！睌?shù)值的原因排查，及時(shí)對(duì)構(gòu)件的損傷或病害區(qū)域采取維護(hù)措施。滿足各測(cè)點(diǎn)的量程要求，環(huán)境要求，根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)選取上下游4個(gè)拱腳的兩側(cè)桁拱架，共計(jì)8個(gè)截面，每個(gè)截面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)32個(gè)光纖應(yīng)變計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

8 結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)

大橋結(jié)構(gòu)溫度變化是大型橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測(cè)重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)能了解橋址處環(huán)境溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化，以及大橋主要構(gòu)件的溫度及溫度梯度情況，為分析結(jié)構(gòu)的受力和變形提供依據(jù)，并用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析。根據(jù)采集的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出每小時(shí)、每天、每月、每年的溫度值及溫差；繪出溫度時(shí)間歷程的趨勢(shì)變化。

采用光纖溫度計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度，數(shù)據(jù)連續(xù)存儲(chǔ)，每1分鐘采樣一次，對(duì)于結(jié)構(gòu)溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得出較長(zhǎng)周期內(nèi)穩(wěn)定的溫度分布情況。進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度關(guān)于主梁整體變形、結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力水平等的單參數(shù)分析，得出溫度變化對(duì)于結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)特征值的影響程度。通過(guò)溫度與變形、應(yīng)變的關(guān)聯(lián)性分析，得出不同力學(xué)特征值之間的聯(lián)系。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮溫度測(cè)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)保持一致，全橋共計(jì)32個(gè)光纖溫度計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

9 結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋主橋主梁在風(fēng)、交通、地震等作用下引起的振動(dòng)加速度響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性，為橋梁結(jié)構(gòu)整體健康狀況評(píng)估、驗(yàn)證大橋設(shè)計(jì)理論及運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)。采用光纖光柵單向加速度計(jì)，采樣頻率為20Hz，根據(jù)較長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得出橋梁正常運(yùn)營(yíng)期間的基頻變化情況以及不同方向的振動(dòng)位移峰值，并結(jié)合其他類型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)有效地對(duì)橋梁的工作狀態(tài)作出評(píng)估，確保結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于主拱，至少選取8分點(diǎn)截面，共計(jì)7個(gè)截面，上下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)單向加速度計(jì)；對(duì)于主梁，選取8分點(diǎn)截面，共計(jì)7個(gè)截面，上下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)單向加速度計(jì)對(duì)主供及主梁動(dòng)力特性進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)施監(jiān)測(cè)。

10 環(huán)境腐蝕監(jiān)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行環(huán)境腐蝕的測(cè)點(diǎn)布置，選擇腐蝕較嚴(yán)重或易于腐蝕、結(jié)構(gòu)受力較為關(guān)鍵的吊桿錨頭布置測(cè)點(diǎn)，確定測(cè)點(diǎn)數(shù)目一般宜3～6個(gè)。環(huán)境腐蝕監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化采集設(shè)備連續(xù)監(jiān)測(cè)，宜每1小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。

11 結(jié)語(yǔ)

由于橋梁在建設(shè)期可能存在的初始結(jié)構(gòu)缺陷，以及在運(yùn)營(yíng)管理中由于監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)管理不足，在超載或其他災(zāi)害性突發(fā)荷載作用下，一些橋梁出現(xiàn)倒塌和破壞事故，造成了重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，因此為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和耐久性，亟須對(duì)已使用的在型橋梁采用有效的手段來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)估其損傷程度和安全全狀態(tài)。

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