中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

陸 陸

(遼寧省高速公路管理局 遼寧 沈陽 110003）

中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

陸 陸

(遼寧省高速公路管理局 遼寧 沈陽 110003）

為確保中小跨徑橋梁的運營安全，建立了一套適用于該類橋梁的安全監(jiān)測系統(tǒng)，并以后丁香大橋（舊橋）主跨連續(xù)箱梁作為監(jiān)測對象，從監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測手段及選擇監(jiān)測儀器、安全預警等方面進行了分析探討，實現(xiàn)了對橋梁運營狀態(tài)的實時監(jiān)測，進而驗證了系統(tǒng)的有效性。

中小跨徑橋梁；監(jiān)測；運營安全

1. 前言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)規(guī)模與日俱增，其中中小跨徑橋梁占較大比例。然而，在其迅速發(fā)展的同時，由于交通量不斷增長，重載和超載車輛日益增多，設(shè)計施工以及養(yǎng)護措施不夠科學合理等原因，中小跨徑橋梁安全事故也隨之增多，這將對國民經(jīng)濟和生命財產(chǎn)造成嚴重損失。顯然，橋梁管理者亟需一套針對中小跨徑橋梁的實際安全性能,進行遠程實時監(jiān)測并具有安全預警功能的系統(tǒng), 以確保橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全。因此，開展安全運營監(jiān)測實用技術(shù)研究，構(gòu)建一套適用于中小跨徑橋梁的安全監(jiān)測系統(tǒng)，對保障該類橋梁的安全運營具有重要的工程實際意義。

2. 中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及功能

中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用傳感測試技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，計算機信息處理分析技術(shù)對橋梁進行長期實時監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由硬件和軟件子系統(tǒng)組成，其中硬件子系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、供電設(shè)備），軟件子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析處理軟件、上位機的遠程數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，遠程采集數(shù)據(jù)交互，并提供遠程客戶訪問交互功能。

該監(jiān)測系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅可以及時診斷中小橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并做出實時評估，而且可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)訪問采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)和當前的評估結(jié)果，這些數(shù)據(jù)的共享有效地促進了中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和損傷診斷的研究。

3. 后丁香大橋安全監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 工程背景

后丁香大橋位于沈陽環(huán)城高速。橋跨組合：4×30m（T梁）+38+61+38m（箱梁）+2×40+5×25 m（T梁）+38+4×61+38m（箱梁）+21×30m（T梁），橋梁總長為 1426.4m，橋面凈寬左右幅均為 11.50m，防撞墻外側(cè)寬為 0.50m，內(nèi)側(cè)寬為0.75m，上部結(jié)構(gòu)：預應力混凝土等截面T梁及變截面箱梁，由于在運營過程中，箱梁出現(xiàn)跨中下?lián)线^大和腹板裂縫等病害，因此進行了體外索加固處理；下部結(jié)構(gòu)：箱梁橋墩為鋼筋混凝土板式橋墩，T梁橋墩為鋼筋混凝土雙柱式橋墩，埋置式肋板臺，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

為保證橋梁的運營安全，選擇后丁香大橋（舊橋）主橋6孔一聯(lián)中的3孔連續(xù)梁橋作為監(jiān)測橋跨，通過在橋上安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)的病害特征及其致病因素結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下的響應進行實時監(jiān)測。

3.2 安全監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)

對于預應力混凝土梁橋而言，主跨跨中下?lián)狭窟^大和箱梁底板和腹板易產(chǎn)生裂縫是其主要病害類型。由于跨中下?lián)蠒M一步加劇箱梁底板開裂,而箱梁梁體裂縫增多使結(jié)構(gòu)剛度降低,進一步加劇了跨中下?lián)?這兩者相互影響形成了惡性循環(huán)。此外，行駛的車輛對橋梁振動具有明顯響應，易產(chǎn)生沖擊型病害，進而降低橋梁結(jié)構(gòu)工作性能，導致橋梁撓度、應力及振動頻率出現(xiàn)一定程度的波動，由此加劇了撓度和裂縫的發(fā)展。根據(jù)橋梁自身的病害特點，并通過對橋梁模型進行分析計算，確定橋梁損傷部位及程度，在此基礎(chǔ)上，選擇該橋梁的安全監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)為：跨中變形、跨中應變、支點附近裂縫寬度、體外索應變、自振頻率進行監(jiān)測，具體測點如圖1所示。通過分析各個參數(shù)的監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的變化情況，可及時了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)，判斷橋梁的安全性，確保橋梁的安全運營和科學指導管養(yǎng)的目的。

圖1 測點布置圖

3.3.傳感器選型

本研究為與系統(tǒng)保持相同的設(shè)計原則，對傳感器這一監(jiān)測儀器進行合理選擇。根據(jù)傳感器工作原理及采用的材料的不同，一般分為電阻式、光纖式和振弦式三種類型。其中，振弦式傳感器采用振弦理論設(shè)計制造，靈敏度及精度較高，穩(wěn)定性較好，耐惡劣環(huán)境能力強，適合長期觀測，且內(nèi)置溫度傳感器可同時監(jiān)測安裝位置的環(huán)境溫度；另外相對于光柵光纖傳感器，振弦式傳感器元件及其數(shù)據(jù)采集設(shè)備價格優(yōu)勢明顯，而電阻式傳感器易受環(huán)境因素影響，長期穩(wěn)定性較差，因此本系統(tǒng)中選用振弦式傳感器，且適合預算不高的中、小橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)中的跨中變形、混凝土跨中應變、裂縫寬度以及體外索應變測量。橋梁振動

根據(jù)橋梁自振頻率的監(jiān)測要求，選擇拾振器對被監(jiān)測橋梁的振動特性進行實時、高精度的連續(xù)測量，其工作原理是：通過對環(huán)境振動偵測，能夠自動發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常振動，及時啟動連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)可靠保存。

3.4. 橋梁結(jié)構(gòu)安全性評估

橋梁安全評估監(jiān)測主要是客觀評價橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，其可視化界面及動態(tài)信息變化如圖2所示，該功能主要是結(jié)合采集到橋梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)或周期性監(jiān)測數(shù)據(jù)，將橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下主要被測參量隨時間或環(huán)境溫度變化的情況與以往相同環(huán)境溫度條件下的參考值進行對比，一旦發(fā)現(xiàn)某參量數(shù)值發(fā)生突變時，即自動發(fā)出預警信號，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及時查明該參量發(fā)生突變的原因，分析和判斷結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損傷。

圖2 可視化界面

6. 結(jié)語

綜上所述，科學監(jiān)測橋梁病害損傷狀況，可客觀準確地評價出橋梁的安全狀態(tài)，可有效降低產(chǎn)生各類安全事故的幾率。此外，在更新維修橋梁結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生的各類質(zhì)量問題時，因目前的一些檢測技術(shù)還難以客觀準確地評估出橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的損傷狀況。所以，建立中小跨徑橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)并在應用過程中根據(jù)實際需求進行不斷完善，才能提高橋梁的安全性和使用壽命。

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陸陸（1983.7-），男，本科，土木工程。本文系遼寧省高速公路科研項目，基金號201409，基金名稱：預應力混凝土梁橋安全運營監(jiān)測實用技術(shù)研究

TU714

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1007-6344（2016）03-0244-01

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