郭 飛

（貴州省公路局,貴州 貴陽 550081）

0 引言

隨著時(shí)間的變遷，我國部分早期建成投入運(yùn)營的公路橋梁在長期的車輛載荷、環(huán)境侵蝕等因素作用下陸續(xù)出現(xiàn)坑槽、裂縫等病害，導(dǎo)致橋梁通行條件惡化，交通運(yùn)輸受到影響，實(shí)際使用年限大大縮短，最終成為危橋[1-2]。因此，需要深入研究公路橋梁的養(yǎng)護(hù)管理方法及危橋的改造技術(shù)，以提高我國公路橋梁使用性能，保障交通運(yùn)輸安全。

1 公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的有效措施

1.1 做好橋梁養(yǎng)護(hù)檢查工作

公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員應(yīng)按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》規(guī)定，對轄區(qū)內(nèi)管養(yǎng)的在役公路橋梁進(jìn)行經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查，摸清底數(shù)，建立工作臺賬。經(jīng)常檢查一般每月不少于一次，定期檢查不少于三年一次。汛期還應(yīng)對交通量大、重型車輛多、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)、技術(shù)狀況四類及以上等重點(diǎn)橋梁加大檢查頻率。

1.2 編制橋梁病害養(yǎng)護(hù)方案

不同的公路橋梁產(chǎn)生的病害種類、表現(xiàn)、成因及嚴(yán)重程度各有不同，公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員要全面了解公路橋梁的病害類型、發(fā)展趨勢以及形成原因，結(jié)合病害現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果制定針對性的病害養(yǎng)護(hù)工作計(jì)劃，以有效確保公路橋梁養(yǎng)護(hù)效果。應(yīng)根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)檢查評定的橋梁技術(shù)狀況編制公路橋梁養(yǎng)護(hù)方案，并及時(shí)開展養(yǎng)護(hù)工作，發(fā)現(xiàn)四、五類危橋還需及時(shí)會同公安交通管理部門實(shí)施交通管制，落實(shí)交通保暢方案。其中：一類橋梁進(jìn)行正常保養(yǎng)；二類橋梁進(jìn)行小修，及時(shí)修復(fù)輕微病害；三類橋梁進(jìn)行中修，視具體情況考慮進(jìn)行交通管制，及時(shí)修復(fù)或更換損壞較大的構(gòu)件；四類橋梁應(yīng)進(jìn)行大修或改建；五類橋梁應(yīng)進(jìn)行改建或者重建。

1.3 開展橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作

在公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，橋梁鋪裝層、支座、混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫、泄水孔、伸縮縫等病害往往初期就有明顯征兆，若提前開展橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作，可以提前做到治早、治小、治好，有效防止橋梁病害發(fā)生或延遲橋梁輕微病害進(jìn)一步發(fā)展，延長橋梁使用壽命。例如：橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)的裂縫和缺陷，若及時(shí)采取有效措施封閉裂縫和修復(fù)缺陷，可有效防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大引起的鋼筋銹蝕等病害；橋梁運(yùn)營一段時(shí)間后，因養(yǎng)護(hù)管理、自然因素等導(dǎo)致的泄水孔或伸縮縫堵塞，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理，若發(fā)現(xiàn)伸縮縫失效后，要及時(shí)更換伸縮縫，避免連鎖引起其他病害問題，保證橋梁運(yùn)營安全。

1.4 提升橋梁管理信息化水平

常規(guī)的公路橋梁管理養(yǎng)護(hù)模式需要大量專業(yè)技術(shù)人員開展人工巡查、填報(bào)檔案資料，耗時(shí)費(fèi)力、浪費(fèi)資源。隨著我國信息技術(shù)高速發(fā)展，運(yùn)用衛(wèi)星定位信息采集、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)App、大數(shù)據(jù)分析等信息化技術(shù)，將橋梁基本情況、現(xiàn)場照片、檢查記錄、技術(shù)狀況、維修加固等有關(guān)信息全部錄入系統(tǒng)，為每一座管養(yǎng)的橋梁建立一份檔案，運(yùn)用大數(shù)據(jù)對橋梁進(jìn)行管理養(yǎng)護(hù)，方便橋梁管理養(yǎng)護(hù)人員隨時(shí)查看，可有效解決傳統(tǒng)人工巡查效率低、覆蓋面小的問題，同時(shí)為橋梁管理養(yǎng)護(hù)計(jì)劃下達(dá)提供決策依據(jù)。例如：貴州省在全國率先研發(fā)的“四好農(nóng)村路”綜合管理系統(tǒng)，采用衛(wèi)星定位技術(shù)，基于遙感影像采集農(nóng)村公路橋梁所在路線及位置信息，與矢量電子地圖智能匹配核對，通過橋梁位置定位、采集橋梁病害照片與橋梁技術(shù)狀況比對，為下達(dá)農(nóng)村公路危橋改造計(jì)劃提供了決策依據(jù)。同時(shí)研發(fā)了“eroad貴州”移動平臺，實(shí)現(xiàn)了危橋改造項(xiàng)目的外業(yè)采集、督查管理和綜合查詢等功能，提升了貴州省農(nóng)村公路危橋改造項(xiàng)目管理的便捷性、高效性和精準(zhǔn)性[3]。

2 長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測建設(shè)

2.1 公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹

橋梁健康監(jiān)測就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)評估，使橋梁在特殊氣候條件下或在某特定的交通通行條件下達(dá)到臨界值，又或在橋梁使用期間技術(shù)狀況異常嚴(yán)重時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與管理模塊、系統(tǒng)軟件及附屬設(shè)施構(gòu)成，通過實(shí)時(shí)采集橋梁環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)對橋梁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警、分析和評估。

2.2 公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)要求

按照交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)的《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》（交辦公路〔2021〕21號）相關(guān)要求，公路在役和在建單孔跨徑500 m以上的懸索橋、單孔跨徑300 m以上的斜拉橋、單孔跨徑160 m以上的梁橋和單孔跨徑200 m以上的拱橋等長大橋梁，需建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對長大橋梁結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，動態(tài)掌控長大橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況，及時(shí)防范化解公路長大橋梁運(yùn)行重大安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提升公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測和安全保障能力。

2.3 貴州省某大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹

2.3.1 橋梁概況

貴州省某大橋，設(shè)計(jì)橋型為三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，全長347 m，跨徑組合為90 m+160 m+90 m。上部結(jié)構(gòu)為三向預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，采用C50混凝土，主梁截面為單箱單室箱形截面。下部結(jié)構(gòu)0號橋臺采用肋板式輕型橋臺，挖孔樁基礎(chǔ)；3號橋臺采用重力式混凝土U形橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋墩采用薄壁墩雙墩形式，墩身外形為圓端形，基礎(chǔ)采用挖孔灌注樁。橋面無縱坡，設(shè)置1.5%橫坡，行車道寬9 m，兩側(cè)人行道各寬1.5 m，橋面鋪裝為2 cm厚C40墊層混凝土加8 cm厚的CF40鋼纖維混凝土，僅在左、右兩岸橋頭各設(shè)置一道MZL240型伸縮縫。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20設(shè)計(jì)，掛車-200驗(yàn)算，人群荷載3.5 kN/m2。橋梁于2004年7月建成通車。

2.3.2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置要求

（1）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（2）選用穩(wěn)定性、耐久性好，能長期使用的傳感器和設(shè)備。

（3）傳感器和設(shè)備必須具有：可維護(hù)性、可更換型。監(jiān)測數(shù)據(jù)必須保證既能用于結(jié)構(gòu)評估，也能夠作為橋梁養(yǎng)護(hù)管理相關(guān)決策的依據(jù)[4]。

（4）大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備預(yù)警功能。在結(jié)構(gòu)響應(yīng)等參數(shù)接近或突破閾值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)有預(yù)警提示及記錄功能。

（5）大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備一定的開放性，確保系統(tǒng)有相應(yīng)的升級換代能力、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及監(jiān)測功能。

（6）大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)要考慮其長期使用過程中設(shè)備損壞的實(shí)際問題，系統(tǒng)傳感器數(shù)量和設(shè)備等應(yīng)具有適度冗余，以確保系統(tǒng)可靠性和滿足系統(tǒng)未來改進(jìn)、拓展和完善要求。

（7）大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)滿足二次開發(fā)和集成的要求。

2.3.3 系統(tǒng)框架與組成

總體上，大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括四個(gè)功能模塊：一是傳感器功能模塊，二是數(shù)據(jù)采集與傳輸功能模塊，三是數(shù)據(jù)處理與分析功能模塊，四是結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評估功能模塊。該文重點(diǎn)介紹傳感器功能模塊檢測內(nèi)容和測點(diǎn)布設(shè)，貴州某大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 貴州某大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3.4 傳感器子系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容和測點(diǎn)布設(shè)

該橋梁監(jiān)測內(nèi)容包括交通荷載、環(huán)境溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度、路面溫度、地震動作用、主梁撓度、梁端縱向位移、高墩墩頂偏位、關(guān)鍵截面應(yīng)力（應(yīng)變）、主梁振動、結(jié)構(gòu)裂縫及行車狀況，大橋傳感器總體布置如圖2。

圖2 大橋傳感器總體布置圖

（1）交通荷載監(jiān)測。通過視頻監(jiān)測和稱重系統(tǒng)記錄橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中通過的車輛車速、車型、車重、車流量等。該橋采用設(shè)備為動態(tài)稱重系統(tǒng)2套和高清攝像頭2個(gè)。動態(tài)稱重系統(tǒng)安裝在距離0號橋臺40 m路基或有穩(wěn)定支撐等結(jié)構(gòu)鋪裝層內(nèi)處，在1號、2號兩個(gè)高墩墩頂分別安裝一個(gè)攝像頭。

（2）環(huán)境溫濕度監(jiān)測。實(shí)時(shí)監(jiān)測部署位置的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，分析大橋在環(huán)境溫度下結(jié)構(gòu)受力的變形、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和耐久性。該橋采用設(shè)備為2臺溫濕度計(jì)。在主跨跨中橋面布置1個(gè)溫濕度計(jì)，用以監(jiān)測橋址區(qū)環(huán)境溫濕度。主跨跨中箱梁內(nèi)布置1個(gè)溫濕度計(jì)，用以監(jiān)測主梁內(nèi)溫濕度。

（3）結(jié)構(gòu)/橋面鋪裝溫度監(jiān)測。主要考慮橋梁運(yùn)營期對日照等影響下箱梁溫度梯度對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測部署位置的溫度數(shù)據(jù)，為分析橋梁在溫度作用下結(jié)構(gòu)受力和變形、結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供依據(jù)。該橋采用設(shè)備為28個(gè)應(yīng)變計(jì)含溫度加1個(gè)路面溫度計(jì)。在橋梁左邊跨跨中、左邊跨右梁端、中跨左梁端、中跨跨中、中跨右梁端、右邊跨左梁端、右邊跨跨中7個(gè)截面布置，每個(gè)截面布置4個(gè)應(yīng)變計(jì)。橋面溫度計(jì)布置于中跨跨中橋面外側(cè)。

（4）地震動作用監(jiān)測。主要考慮橋梁運(yùn)營期的地震輸入時(shí)程，為進(jìn)一步評估地震帶來的橋梁損傷提供依據(jù)。該橋采用設(shè)備為三向加速度傳感器1臺。布設(shè)于右岸橋頭內(nèi)側(cè)山壁，對橋址附近三個(gè)方向?qū)铀俣冗M(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測[5]。

（5）主梁撓度監(jiān)測。通過監(jiān)測大橋主梁的空間位移，確定大橋主梁的變形狀況、幾何線形等情況，及時(shí)、直觀地提供數(shù)據(jù)，為評價(jià)大橋結(jié)構(gòu)狀況提供依據(jù)。本橋采用設(shè)備為7臺靜力水準(zhǔn)儀。布置于橋梁左邊跨跨中箱梁內(nèi)底板、1號墩箱梁內(nèi)底板、中跨1/4點(diǎn)箱梁內(nèi)底板、中跨跨中箱梁內(nèi)底板、中跨3/4點(diǎn)箱梁內(nèi)底板、2號橋墩箱梁內(nèi)底板、右邊跨跨中箱梁內(nèi)底板，對主梁撓度進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（6）梁端縱向位移監(jiān)測。對梁端縱向位移進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)了解其疲勞效應(yīng)和磨損情況，為評估風(fēng)荷載、地震、交通對大橋結(jié)構(gòu)的作用提供依據(jù)。該橋采用設(shè)備為4個(gè)拉繩式位移計(jì)。分別選取主橋上下游梁端處進(jìn)行監(jiān)測，對梁端位移進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)在伸縮縫位置處布置永久人工觀測點(diǎn)[6]。

（7）高墩墩頂偏位監(jiān)測。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁橋墩墩頂偏位狀況，實(shí)時(shí)了解橋梁在風(fēng)荷載、溫度荷載及交通荷載等作用下受力情況，為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評估提供依據(jù)。該橋采用設(shè)備為2個(gè)傾角儀。選取1號墩、2號墩墩頂各布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，對高墩墩頂偏位進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（8）主梁混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測。監(jiān)測箱梁應(yīng)變，可以獲取箱梁內(nèi)部溫度分布，了解溫度和應(yīng)變關(guān)系，同時(shí)了解主梁溫度、應(yīng)變變化情況。該橋采用設(shè)備為28個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)。選取橋梁每跨跨中、1號墩、2號墩兩側(cè)箱梁內(nèi)各布置4個(gè)測點(diǎn)。

（9）主梁振動監(jiān)測。對主梁振動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)振動頻譜對構(gòu)件對振動進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警，同時(shí)可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，判斷結(jié)構(gòu)振動衰減情況。該橋采用設(shè)備為5個(gè)三向加速度傳感器。選取每跨跨中及主跨四分點(diǎn)各布置1個(gè)三向加速度傳感器，對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（10）裂縫監(jiān)測。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測裂縫寬度和發(fā)展趨勢，判斷橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段對穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)為橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性和耐久性分析提供依據(jù)。該橋采用設(shè)備為14個(gè)柔性導(dǎo)電涂料膜。選取橋梁每跨跨中、1號墩、2號墩兩側(cè)箱梁內(nèi)各布置2個(gè)測點(diǎn)。一旦裂縫發(fā)展超過預(yù)設(shè)墩閾值，能夠發(fā)出早期預(yù)警，避免病害進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大。

（11）外站設(shè)備。該橋外站設(shè)備主要有一體化機(jī)柜、UPS、工控機(jī)、監(jiān)控中心服務(wù)器、交換機(jī)、光纖接發(fā)器、串口模塊、直流電源、電源防雷器及信號防雷器等。

2.3.5 其他設(shè)備

其他設(shè)備主要有采集數(shù)據(jù)軟件、數(shù)據(jù)平臺對接、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等。按照交通運(yùn)輸部要求，系統(tǒng)下步將與省、部平臺進(jìn)行對接，系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口采用《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）要求的標(biāo)準(zhǔn)接口。

3 結(jié)論

綜上所述，加強(qiáng)和規(guī)范公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作，是公路暢通和橋梁安全運(yùn)行的重要保障。利用公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握公路長大橋梁結(jié)構(gòu)狀況，防范化解公路長大橋梁運(yùn)行安全重大風(fēng)險(xiǎn)，提升橋梁管養(yǎng)應(yīng)急處置和安全保障能力，事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員應(yīng)該充分重視橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作，規(guī)范認(rèn)真地開展橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作，按要求運(yùn)用長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，為大眾交通安全保駕護(hù)航。