大跨度橋梁運營期監測技術研究

唐 穎

目前，國內外已經或正在興建許多不同類型的大跨度橋梁。大跨度橋梁以柔和輕為主要特點，對反復作用的交通荷載、脈動風荷載等較為敏感，局部構件易產生疲勞失效等病害，若不及早偵查和修復，會給后期維護加固帶來很大麻煩，甚至會導致整體橋梁安全事故。為了解大跨度橋梁結構在運營期的結構健康狀況變化和評估其安全使用性能，橋梁工程師在許多大跨度橋梁上引入系統化的健康監測與評估技術。

1 監測依據與內容

橋梁結構的健康監測和安全評估應與橋梁結構的設計承載能力和極限狀態相關。我國JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范明確了公路橋涵應進行承載能力極限狀態(Ultimate Limite State，ULS)和正常使用極限狀態設計(Service Limite State，SLS)，故應將兩種極限狀態作為橋梁健康監測與評估工作的法理依據。因此，傳感器和其相關設備的設計監測范圍應在SLS的變化幅度之內，而ULS荷載指標則用于結構安全評估時作為構件的損傷或失效狀況的參考指標[1，2]。因此，若 σm為監測結果，而 σSLS為正常使用極限狀態指標。

2 監測技術

2.1 風速風向監測

實時監測橋址處風速和風向的變化情況，掌握橋梁處風特征和橋梁風荷載，記錄和分析平均風速、風向、紊流強度、風譜。為分析橋梁的工作環境、評價行車安全、驗證橋梁風振理論提供依據，并研究大橋在極限風環境下的工作狀況。橋梁監測中風速儀一般分超聲波和機械式兩種類型，其特性對比如表1所示。

表1 風速儀對比

大跨度橋梁一般在主梁和索塔上布設風速風向儀。主梁上的風速由于需要監測三個方向，故采用三維風速風向儀，三維風速風向儀可選用三維超聲風速儀，也可通過二維水平機械式和一維豎向機械式進行組合。索塔上采用二維風速風向儀監測水平方向風速風向。

2.2 溫度監測

溫度變化是大跨度橋梁的重要作用源之一，常引起大的變形和橋梁線形的改變，是監測的重要內容。長期監測中目前常采用光纖光柵溫度傳感器，具有可分布式測量、耐久性好等優點，但其價格昂貴，且由于封裝和安裝原因直接測試結構溫度精度不高。武漢橋科院基于數字化溫度傳感器開發了一線總線溫度測試系統。該溫度測試系統由于采用數字信號采集傳輸，數據不會失真，提高了系統的穩定性和抗干擾性，同時大大減少了系統的電纜數，更保證了溫度測量的同步性，且感溫元件的制作精度高，傳感器也無須另外標定。通過多座實橋測試的實踐檢驗，該溫度測試方法具有精度高、性能穩定、測試方便快捷等優點。

2.3 車輛荷載監測

動態稱重是在汽車的運動狀態下稱出汽車的重量。

鑒于用戶需求和現行技術狀況，1990年德克薩斯大學起草了ASTM E1318標準并通過美國試驗及材料協會(ASTM)標準委員認定[3，4]。從傳感元件角度出發對它們加以分類，可分為壓電式、電容式、應變式。關于壓電式，壓電材料靈敏度隨時間有些變化、需經常標定、速度低時誤差較大;關于電容式，長時間使用后電容器內填充介質易變形，需重新校正;關于應變式，易受電磁干擾，對路面損耗大、高速精度不高、價格高。橋梁健康監測稱重儀主要用于交通數據的采集，屬于ASTM E1318標準的Ⅰ類，對測試精度要求不高。綜合比較各類型稱重傳感器的特點，建議在車輛運行比較緩慢的城市橋梁監測中宜采用應變式的彎板稱重儀，而高速公路橋梁則可以考慮選擇壓電薄膜等稱重傳感器。

2.4 變形監測

位移測量與結構安全直接相關，位移反映結構的整體特征。橋梁撓度是監測的一項重要內容，以確保橋梁具有足夠的剛度。

一般而言，為了能監測到橋梁的撓度，需要在橋梁的不同部位安裝合適的傳感器。目前測試儀器按其工作原理可分為機械測試儀器，如百分表、千分表、張線式位移和撓度計等。近年來涌現了一些新型撓度測量方法，如光電成像法、傾角儀、GPS、激光圖像法、連通管法等。這些方法與傳統的方法相比，有很大的改進，且有的能夠實現橋梁撓度的實時監測。目前在監測中常用GPS和連通管的方式進行監測。GPS能夠實現橋梁動態實時、自動測量。但是其精度不高，不能滿足中小跨度橋梁監測的要求，一般用于大跨度變形較大的橋梁，且不能很好的監測橋面板以下墩的位移(如支座沉陷)。因此使用有一定的限制性，且價格過于昂貴。連通管法是將面積相對較大的容器放置在橋墩固定不變的位置上，連通管連接主梁中若干撓度計。當橋梁在某點發生豎向變形Δh時，安置在該點的撓度計也隨之在豎直方向下移Δh。測量精度可以達到1 mm，在陽邏長江大橋就使用了這個撓度監測系統。

2.5 應力監測

傳統上，橋梁結構應力應變測量所采用的技術模式基本都是通過敏感元件(如電阻應變片、基于鋼弦的振弦式應變計)將被測量轉換成電學量，再通過專用的電學量測量儀器(如數據采集器)記錄數據(測量結果)。這種模式的測量系統優點是有較高的靈敏度，且硬件成本相對較低。但這種由電學量測量原理構成的測量系統，存在零點漂移不易消除，模擬信號易受電磁環境干擾，硬件系統比較脆弱等問題，儀器設計研制人員需要花費大量的研究成本解決這些固有問題[5]。尤其是在橋梁長期監測領域，在對長期監測資料分析處理時，難以區分損傷前后結構異常和環境干擾。因此尋找新的應力應變測量方法就顯得更有意義。

2.6 索力監測

目前已經發展起來的索力監測技術主要有5種:壓力表法、測力環法、頻譜法、磁通量法以及光纖傳感技術。中鐵大橋局武漢橋科院對光纖Bargg光柵應變傳感技術做了深入的研究和分析，特別是從橋梁拉索長期監測的角度，創新性地提出光纖光柵測力環及索力監測系統的設計方法，研制出新型的光纖光柵測力環[6]。有關的結構試驗和工程應用表明:研制的測力環及索力監測系統，具有抗干擾能力強、靈敏度高、精度高、長期穩定性好的優點，非常適合用于大型橋梁拉索受力狀態的長期監測，具有廣闊的應用前景。

3 總結與展望

大跨度橋梁運營期監測技術研究目前仍然處于探索階段，需要多學科的進一步交叉與發展，基本實現大型橋梁長期監測，自動、經濟、不妨礙交通的要求，尚有許多問題有待研究。長期監測技術的最終成功應用，其在結構安全(對地震，強風等強烈自然災害后結構的狀態進行快速和有效的評估，為維修決策提供依據)，延長結構使用壽命(提早發現不定時的損傷累積，為有效遏制事態嚴重化提供保障)和科學探索(揭示在自然環境中真實的結構響應以驗證現有橋梁理論)等方面將產生重大的技術變革。

[1] 黃啟遠.大跨度橋梁的結構健康監測和結構安全評估[A].二省二特區特大型橋梁學術交流會[C].2009.

[2] Xu Y L.Making Good Use of Structual Health Monitoring Systems:Hong Kong's Experience.Structual Disaster Prevention，Monitoring and Control:Hongnan LI&Tinghua YI.

[3] 羅曉光，任偉新.光纖光柵高速稱重系統的研發[D].長沙:中南大學碩士論文，2009.

[4] ASTM.Committee.Standard specification for Highway weightin-motion(WIM)systems with user Requirements and Test Method.1995 Annual book of ASTM standards volume，04，03 ，wad and paving materials paving management technologies，1995.

[5] 鐘繼衛，李星新.貴州壩陵河大橋運營安全監測系統總體設計報告[R].中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院科研報告，2009.

[6] 汪正興，李星新.光纖光柵壓力環研制及拉索索力測試與疲勞分析系統[R].中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院科研報告，2008.

[7] 劉國軍，馮 曉，王 月.橋梁檢測的數據采集和處理技術研究[J].山西建筑，2008，34(7):321-322.