橋梁安全監測系統在大型橋梁病害監控上的應用

王曉偉

（沈陽市市政工程設計研究院有限公司，遼寧 沈陽110015）

1 工程概況

沈陽市北一路公鐵橋建于2006年，由主橋和東西引橋組成，共27跨，主橋跨越鐵路線。橋梁總長1 250 m，其中橋梁結構長961.43 m，東引道長137.85 m，西引道長150.72 m。主橋采用（65.55+110+65.55）m三孔變截面預應力混凝土連續箱梁。

2 安裝橋梁安全監測系統的必要性

根據對我國近三十年來修建的主跨60 m至270 m的部分跨度較大P C梁橋的調查結果顯示，所調查的所有橋梁均出現了不同程度的裂縫情況，近20 a來修建的預應力混凝土連續梁橋最為嚴重。對于北一路公鐵橋主橋而言，由2016年《沈陽市北一路公鐵橋常規檢測報告》可知，對于主橋三孔預應力混凝土連續箱梁，其兩幅橋各跨箱梁腹板上均存在斜向裂縫，且部分裂縫寬度超限，超過了允許值0.2 mm，裂縫深度超過了鋼筋保護層厚度。事實上，橋梁結構出現裂縫后其抗彎剛度會有所降低，這樣結構的撓度就會增加，從而加劇了裂縫的進一步發展，由此惡性循環，橋梁的極限承載能力將會逐年降低，對橋梁的安全性和耐久性帶來了危害。

由此可見，對于沈陽市北一路公鐵橋主橋，其結構的“腹板裂縫寬度”及“豎向最大變形”的發展直接與結構的安全性密切相關。因此，有必要在其主橋上安裝一套安全監測系統。

3 橋梁安全監測系統的組成

橋梁安全監測系統遵循統一管理的思路和模式。其硬件方面考慮橋梁結構監測系統工程要緊密結合橋梁實際情況，包括橋梁類型、跨度、受力特點等，并緊密結合相關技術的發展，注重實用性、可靠性、協調性、先進性、可操作性、易維護性、完整性和可寬容性等幾個原則。

根據待監測橋梁的結構特點，安全監測系統主要分為傳感器子系統，數據采集、數據傳輸、數據庫管理與安全預警四大部分。利用光纖或無線網絡作為信息傳輸平臺，將橋梁現場自動化數據采集和控制中心有機地鏈接為一個分布式的整體；系統基于分布式數據庫管理系統和Internet技術，將各部分和監控中心鏈接為一個整體，用戶可遠程對系統進行控制、配置，以及獲得監測數據。通過長期安全監測與人工巡檢相結合的方式，獲取橋梁的運營狀態信息，分析、評估橋梁的運營狀態及安全狀況。

4 監測內容

北一路公鐵橋主線上部結構均為預應力鋼筋混凝土連續箱梁，其典型的病害特征主要表現為下撓過大、腹板易產生裂縫。顯然，結構的“豎向最大變形”及“腹板最大裂縫寬度”的發展直接與結構的安全性密切相關。另一方面，橋梁變形也是反應橋梁整體剛度的重要指標，是橋梁結構安全評價的重要依據，與橋梁的承載能力有密切關系；裂縫的發展可導致鋼筋的銹蝕，進而影響結構耐久性。因此，將以上兩參數作為待監測橋梁的安全監測關鍵參數（見表1）。

5 測點布設原則

安全監測系統的基本監測功能通過傳感器系統來實施。傳感器的測點布置決定了系統的功能和效率。基于以上兩點，測點布置應遵循以下四個前提原則：

表1 安全監測關鍵參數表

（1）在進行傳感器測點布置時，應通過計算分析優化布點，滿足系統的經濟性要求。

（2）應從結構特點和實現系統功能的角度出發進行傳感器的測點布置。

（3）傳感器測點的布置應以把握結構關鍵部位的設計控制指標和把握結構宏觀主量為目標,并結合實際環境條件布置測點。

（4）裂縫測點的布設必須參照檢測報告中典型裂縫出現的位置。

北一路公鐵橋具體的測點布設位置如圖1、圖2所示。

圖1 裂縫寬度測點布置立面圖

圖2 豎向變形測點布置立面圖

6 在線檢測、安全預警

在測點布置完成以后，安全監控系統將實時地將橋梁結構測點位置的裂縫變化數據和撓度變化數據傳輸給橋梁的管養部門，在裂縫和撓度數據發生異常變化時，又能夠及時地進行安全預警。

根據撓度和裂縫的數據，能及時地對橋梁的使用狀態進行分析。部分數據反映的橋梁狀態情況如下：

（1）不同類型傳感器數據之間關聯性較好。這表明數據有效性。

（2）關鍵監測參數跨中，位移和裂縫寬度發展較穩定。這表明橋梁在該監測時段運營狀況正常。

（3）隨著運營時間的增加，橋梁并未發生較大的縱向位移。這說明橋梁的剛度未降低，橋梁的使用性能較好。

（4）不同時段監測的自振頻率較為接近。這說明橋梁的剛度未發生明顯的變化。

（5）車輛荷載對橋梁的影響主要表現為瞬時性變化，車輛過橋后，橋梁恢復至初始狀態。這說明橋梁處于彈性工作狀態。

7 結語

多年來，橋梁結構的安全狀況一直是公眾特別關心的問題。現代化大型橋梁作為交通主干道的重要節點，對交通運輸區域發展具有重大影響。然而，橋梁結構在服役期間，不可避免地要受到自然環境和使用環境的影響，其安全性和使用功能也必然發生退化；此外，由于交通量的不斷增加，超載問題日益嚴重，這也進一步加劇了橋梁結構的功能退化。

為了保證橋梁的運營安全，養護人員通常依靠人工的方法，或是定期對橋梁或路面結構進行巡檢，或是在出現特殊情況時再進行檢查評估。然而，這種傳統的人工檢查方法存在一定的滯后性，是一種靜態的檢查。隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注，針對橋梁安全監測的研究與監測系統的開發應運而生。與傳統人工檢查方法不同，安全監測可以實時監控結構的運營狀態，是相對動態的。它主要是指利用現場安裝的且對結構安全無損的傳感器元件，對結構進行長期的在線監測，并有效地利用監測信息反演結構的狀態，識別結構中的損傷。

因此，可長期直觀地反映結構的損傷變化，及時客觀地評價結構的當前運營狀態。此外，當結構在營運狀況出現嚴重異常時，亦可觸發安全預警信號，使管理者及時發現問題并采取有效的預防措施。顯然，若將橋梁人工檢查與安全監測有機結合，可有效地消除現存單一檢查或監測方法中的諸多不足，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，降低橋梁運營風險和社會財產損失。