大跨度橋梁建立監測體系的研究

趙紀平

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132200）

大跨度橋梁在長期運營過程中，受到混凝土的收縮徐變、拉索鋼絲的松弛、車輛荷載、外界天氣溫度(季節溫度和局部溫度)變化等各種內外因的影響下，橋梁結構受力狀態處于不停的變化中，橋梁的強度和剛度會隨時間而有所下降，橋梁的線形和內力狀態會發生一定的變化。大跨度橋梁結構體系敏感性強，結構狀態一些較小的變化都有可能導致受力情況發生較大的改變，甚至會影響橋梁的安全運營和正常使用壽命。尤其是混凝土橋梁在開通運營初期，混凝土收縮徐變尚未全面完成，在運營初期的三年乃至五年內，混凝土收縮徐變現象明顯，橋梁的線形和內力狀態和成橋狀態相差很大，再加上近20年來橋梁抗風、抗震領域的成就以及新材料新工藝的開發推動了大跨度橋梁的發展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性和正常使用功能的日益關注，為了及時了解大跨度混凝土橋梁在運營期內是否處于正常使用狀態，保證橋梁結構的安全和正常功能的實現，必須對運營期大跨度橋梁進行全面的健康監測，設置橋梁健康監測系統。

橋梁健康監測系統的核心功能即是通過對橋梁結構狀態的檢測與監控，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。為此，完善的橋梁健康監測系統應及時準確的反饋橋梁的狀況是：

（1）橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學性能，包括各種荷載下的內力(應力)、變形、固有頻率、模態、混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。

（2）橋梁重要非結構構件(如支座)和附屬設施(如振動控制元件：減震器)的工作狀態。

（3）大橋所處環境條件等。

橋梁檢測工作是進行橋梁健康監測和評估管理的基礎。橋梁檢測技術分為局部檢測和整體檢測兩大類。局部檢測以各部分的局部狀態為檢測內容，通過對結構的局部部位進行集中檢測，實現對結構缺損部位的精確定位、檢查，甚至是定量分析，主要依賴經驗目測以及成熟的無損檢測技術；而后者則試圖對整個結構進行結構反應信息的有效采集以及系統的處理來建立對整個結構狀況的了解，其中包括結構目前的剛度、質量分布情況、結構的動力特性等等。對橋梁振動模態、撓度、斜拉橋拉索索力等進行測量分析是整體性能檢測的主要手段。兩種檢測方法相輔相成。對結構整體安全狀態的監測可用于指導對局部缺損損傷的識別和定位，從而提高檢測工作的效率，對結構的局部檢測是對整體檢測必不可少的補充。最近發展起來的包含多項檢測內容、能對橋梁狀態進行實時檢測，并集成了遠程通信與控制的檢測系統稱為安全監測或健康監測系統，它對橋梁的運營狀態的分析顯然能起更積極的作用。

結構的局部缺損檢測技術主要有目檢法、壓痕法、回彈法、染色法、超聲脈沖法、回彈一超聲綜合法、振動彈性系數與對數衰減率法、紅外線法、射線法、光線傳感法、同位素法、電阻率法、自然電位法、泄漏測定法、磁粒子法、磁場擾動法、模式識別法等等。這些檢測手段可以對橋梁的外觀以及某些物理及力學性能進行監測。檢測的結果通常也能在一定程度上反映該部位當前的缺損狀況，但是卻難以掌握橋梁整體的健康狀況，尤其是難以對橋梁的安全儲備以及退化的機理作出系統的評估。

橋梁整體檢測得到線形、索力、自振特性等數據，結合相應的計算分析，可初步確定橋梁結構中出現局部缺陷的位置及嚴重程度，克服人工檢測的低效性。而且由于大型橋梁結構日趨復雜，對于某些人工檢測難以達到的部位的缺陷，需要通過計算分析得到解決。

到目前為止，國內外建成的橋梁健康監測系統主要應用于懸索橋和斜拉橋，經過長時間的檢測分析，人們發現營運多年后斜拉橋的許多性能參數都將偏離設計目標，其原因有以下幾種：

（1）橋梁因某種需要后期荷載增加而導致索力和主梁線形的變化。

（2）鋼拉索松弛的影響。

（3）混凝土收縮徐變的影響。收縮徐變是時間效應的函數，在一個相當長的時間內，徐變變形一直在增長。據國內某座斜拉橋的一些記錄表明，在施工時存在著15 天節段安裝的時間差，后期索力比前期增長了3%左右。對于營運多年的斜拉橋徐變的影響將更為重要。

（4）年溫差和局部溫差的影響。對斜拉橋這種多次超靜定結構，年溫差的影響是顯著的；梁頂面和底面的溫差、箱梁體內的溫差。索與梁溫差、索塔單側日照等局部溫差，其影響復雜。

由上可知，運營期斜拉橋受力狀態是十分復雜的，通過橋梁健康監測系統得到的數據必須結合相應的計算分析才一能了解橋梁的實際工作狀態。此外，橋梁健康監測數據可以為驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結構及其環境中的未知或不確定性問題。橋梁健康監測應用前景和發展空間是十分廣大的。

現代混凝土斜拉橋屬高次超靜定結構，設計和施工的難度都較大，橋梁的受力也很復雜。橋梁在運營期間，混凝土的收縮徐變則會導致結構各部件內力的重分配，使橋梁的受力更趨復雜。為了保證橋梁結構的安全以及為橋梁的健康監測評估提供可靠的理論分析結果，本文以某公路大橋通航孔500m 斜拉橋為工程背景，重點分析和研究混凝土收縮徐對運營期大跨度預應力混凝土梁斜拉橋的影響。并與長期的橋梁健康監測結果進行對比，證于我國橋涵規范的收縮徐變計算模式的正確性，可以推廣這種計算模式在橋梁健康監測中的應用。

1 該橋簡介

此公路大橋位于某長江中游河段，是連接207 國道的特大型公路斜拉橋，全長4177.6 米，由9 個橋段組成。其中通航孔橋為一座雙塔雙索面漂浮體系預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為200m+500m+200m。設計荷載：汽—超20，掛—120：橋面總寬為27.0m，行車道凈寬21.50m，雙向四車道，不設人行道。

梁：基本斷面形式是開口的雙主肋板式截面(即“Π”形斷面)；梁高2.4m，梁頂寬26.5m，梁底寬27.0m，主肋寬1.8m，頂板厚0.32m，高跨比為1：208.3，寬跨比為1：18.51 主梁材料采用60號高強混凝土。

索塔采用H 形索塔。

斜拉索主塔兩側各布31 對索，此外還有兩對0號索，全橋共布置126 對斜拉索。斜拉索采用PES7 熱擠聚乙烯拉索PESM7 冷鑄墩頭錨錨固體系。拉索最小間距為4m，標準間距為8m，塔下第一對斜拉索與直索間距為11.5m。

2 計算理論值與橋梁健康監測實測值的對比分析

通過對大橋進行了長期的健康監測工作，對大橋的應力(應變)、位移和索力等狀態變量進行長期的定期觀測，獲得了許多寶貴的數據。大跨度混凝土斜拉橋的收縮徐變變形分析是該類橋進行運營期健康監測與狀態評估等工作必須考慮的重要因素，其收縮徐變計算中的計算模型和收縮徐變參數取值是橋梁結構分析理論中研究的重點之一。本文利用此大橋的健康監測數據對大跨度混凝土斜拉橋的收縮徐變變形計算中的數學模型與收縮徐變參數進行了實橋的驗證與對比分析。

3 斜拉橋健康監測中靜力變形監測數據的采集與處理方法

對該橋的健康監測內容包括標高、位移、塔偏、索力、塔梁應變、主梁裂縫等多方面的檢測，由于混凝土收縮徐變對主梁位形的影響顯著，本文重點介紹靜力變形監測中的主梁撓度的監測方法。

該橋主梁標高(撓度)的測量采用高精度的水準儀測量，并用高精度全站儀(TC2003)復測。該橋共設34 個觀測點。主梁標高測量的臨時水準點設在主塔的永久測點上。

為了了解橋梁在最不利情況下的運營情況，橋梁健康檢測較多的時候是在大氣溫度最高和最低的時候進行，而橋梁設計結果一般是由均勻恒定的溫度場(20℃)得到，所以將橋梁健康監測結果和設計狀態對比時，必須對橋梁健康監測結果進行溫度修正。在測量主梁標高時，必須要密切注意外界溫度變化對測量結果的影響，同時測量結構的溫度場，及時修正有關數據。

橋梁工程中計算溫度效應時，一般把溫度場轉化為單元的軸向應變ε0和曲率X，以它們作為溫度參數，以非結點荷載形式代入程序中去計算溫度對橋梁結構的影響。

通過對橋梁健康監測結果進行對比，驗證基于我國橋涵規范的收縮徐變計算模式的正確性，得出結論如下：

（1）利用計算法建立某公路大橋北通航孔500m 斜拉橋計算模型，考慮了施工中各種復雜的因素對橋梁結構受力和位形的影響，實現了對橋梁實際成橋狀況的有效模擬，建立了準確的運營期混凝土斜拉橋收縮徐變效應分析的模型，并按照橋涵設計規范中的收縮徐變數學模型計算得到運營期混凝土斜拉橋收縮徐變影響的理論值。

（2）將該橋的健康監測數據與按照橋涵設計規范計算得到的理論數據進行對比分析，驗證了規范中收縮徐變的數學模型可以用于實際混凝土結構尤其是大跨度混凝土斜拉橋的計算分析中。