淺析系桿拱橋的健康監測方法

譚二軍

摘要：橋梁健康監測系統的核心任務是獲得環境、荷載以及結構的響應、局部損傷等信息，在對監測信息進行綜合評估的基礎上獲得行車和結構的雙重安全狀態信息，為結構高質量的安全、高效、經濟運營提供成套技術支持。在結構健康監測系統中，從現場采集的數包括不同測點的位移、應變、加速度、和環境激勵等數據，且數據量隨時間的變化不斷增加。這表征不同空域和時間域的實時監測數據是橋梁結構健康狀態信息的載體，充分利用數據所包含的信息對精確評估橋梁結構的健康狀態是至關重要的，因此針對不同的橋梁結構形式制定不同的監測方法。 本文以某橋全長537.4m，橋面寬18m，行車道寬14m，兩側人行道寬2m的系桿拱橋的健康監測方法為例進行作健康監測方法分析。

Abstract： The core task of the bridge health monitoring system is to obtain environmental， load and structural response， local damage and other information. Based on the comprehensive evaluation of the monitoring information， the dual safety status information of the driving and structure is obtained， which provides efficient technical support for efficient and economic operation of the structure. In the structural health monitoring system， the number collected from the field includes data such as displacement， strain， acceleration， and environmental excitation of different measuring points， and the amount of data changes with time. This indicates that the real-time monitoring data of different airspace and time domains is the carrier of the bridge structure health status information. Making full use of the information contained in the data is crucial for accurately assessing the health status of the bridge structure. Therefore， different monitoring methods are formulated for different types of bridge structures. In this paper， the health monitoring method of a bridge with a total length of 537.4m， a bridge width of 18m， a lane width of 14m and a sidewalk width of 2m on both sides is taken as an example for health monitoring.

關鍵詞：風荷載；溫濕度；線形；吊索力；內力；結構

Key words： wind load；temperature and humidity；linear shape；sling force；internal force；structure

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0202-03

1 風荷載監測

風荷載是大型橋梁的荷載源之一，采用風速風向儀實時監測系統能及時了解橋址處環境風力、風向變化情況，為分析橋梁的工作環境、評價行車安全狀況、提供養管信息、驗證橋梁風振理論，以及研究極限風環境下的大橋工作狀況提供了依據。通過采集三個正交方向的風速時間歷程；繪制平均風和陣風的風玫瑰圖，繪制風向-風速圖，求出并繪制梯度風和陣風的剖面；計算三秒陣風風速、一分鐘平均風速、十分鐘平均風速及一小時平均風速；計算風紊流強度、風譜、幅譜及相關性；找出安裝了位移、加速度等傳感器的橋梁響應與風速的關系，以及構件應變與風參數的關系。

采用風速風向儀實時連續監測，采樣頻率5Hz。實時監測部署位置的環境風速、風向數據。為監測大橋在風環境下的工作狀態提供數據，為分析橋梁在風環境下的狀態、行車安全、驗證橋梁風振理論提供依據。根據系桿拱大橋的結構特點及經濟實用的原則，宜在主跨跨中橋面上游布置1個測點，并用1個風速風向儀進行監測。

2 溫濕度監測

大氣溫濕度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監測重要內容。大橋采用箱梁，監測箱梁內溫濕度也非常重要，運營期養護工作中，就需要經常進行箱梁溫濕度檢測。通過采集橋面及箱梁內大氣溫度及相對濕度參數，統計出每小時、每天、每月、每年的大氣溫度及相對濕度值及其變化，繪制出時間歷程趨勢圖。

采用溫濕度計實時連續監測，采樣頻率每1分鐘采樣一次。實時監測測點位置的環境溫濕度數據。為分析橋梁在環境溫度下結構受力和變形、結構狀態提供依據。根據系桿拱橋的結構特點及經濟實用的原則，應用1個溫濕度計在主跨跨中橋面上游布置1個測點進行監測。

3 主梁線形監測

實時監測大橋主梁撓度/線形變化，研究撓度變化與環境變化（風、溫度、交通荷載）的關系，為大橋工作狀態動態顯示及結構健康評估提供資料。根據系桿拱橋設計資料，該橋主跨跨徑大，而主梁撓度是評價主梁以及大橋狀態的重要參數，是必須檢測的內容。

采用靜力水準儀連續采集，滿足同步測量要求，采樣頻率1Hz，監測主梁在荷載作用下的豎向變形，評判主梁長期線形變化情況，為主梁工作狀態的評定提供依據。根據系桿拱橋的結構特點，宜選取主橋6分點截面（不含拱腳），共計5個截面，上下游各布置1個測點，共計10個測點。同時在橋面的主拱座處上下游各布置水準測量基站，用12個靜力水準儀對主梁撓度/線形進行長期實時監測。

4 吊索力監測

吊索是大橋最重要的構件之一，而索力是評價索以及大橋狀態的重要參數，是必須監測的內容，同時吊索風致振動監測也是非常重要的。目前進行索力測度方法很多，有通過壓力傳感器測試驗的直接方法，有通過測試振動信號得到索的固有頻率的振動法，有通過光纖傳感器測試索的應變值得到索力的方法。本橋系統采用加速度傳感器連續監測部分索的索力。使用振動法將測得的加速度值計算出頻譜能夠較準確地測量出索力，從而達到實時掌握吊索的拉力情況，為評估各構件的工作狀況提供依據的目的。

采用光纖光柵加速度計實時在線監測，采集頻率為50Hz，實時監測橋梁運營期間吊索索力的變化規律，通過對比分析成橋狀態時吊索的力學性能，定期對吊索的安全狀態作出評估，為預警系統中閾值的設定、調整提供參考，及時對吊索的病害進行處理，避免索力重分布對整座橋梁造成的不利影響。根據系桿拱橋的結構特點，宜選取相對數量（一般10對以上）的吊索，上下游對稱布置。2倍數量的光纖光柵加速度計，對吊索索力進行長期實時監測。

5 系桿內力監測

系桿作為系桿拱橋的主要受力構件，起著平衡主拱水平推力、降低支座水平反力的作用。同時，系桿內力相當于箱拱結構的整體預應力，可明顯地改善該結構的豎向變形特性，對保證橋面行車平順性有著不可忽視的作用。因此，將新城大橋系桿索力納入到監測內容，通過實時監測系桿內力變化，把握大橋整體運營狀態。

采用光纖光柵加速度計實時在線監測，采集頻率為50Hz，實時監測橋梁運營期間系桿索力的變化規律，通過對比分析成橋狀態時系桿的力學性能，定期對系桿的安全狀態作出評估，為預警系統中閾值的設定、調整提供參考，及時對系桿的病害進行處理，避免索力重分布對整座橋梁造成的不利影響。根據系桿拱橋的結構特點，宜對四組系桿均進行監測。由于系桿長度較大，沿橋梁縱向布置的系桿限位器等可能造成系桿內力沿通長方向分布不均，系桿索力監測時選取了主拱兩端同時進行，避免單側采集到的數據出現極小而不利于結構的安全監測。可用15～20個單向加速度計對系桿索力進行長期實時監測。

6 伸縮縫變形監測

系統監測主橋主梁的縱向位移與轉角，為評估風荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據。同時橋梁進入運營階段，伸縮縫/支座是易于損壞的構建，實時監測伸縮縫/支座處的位移，能夠了解支座位移/主梁整體變形情況。由于主橋主梁是一個整體，為提高效率節省資源，支座位移與伸縮縫位移可合并監測，能達到同樣效果。

采用位移計監測，采樣頻率1Hz，通過對梁體縱向位移的監測，實時評估伸縮縫裝置以及梁端支座是否處于彈性工作階段，及時根據其數值變化對伸縮縫進行檢查和清理，并統計支座累計變形量值，為主梁的整體變形能力和結構安全狀態的評估提供參考。滿足實時測量要求，根據系桿拱橋的結構特點，應在主梁兩端上下游各布置1個測點，共計4個測點，對支座位移/主梁整體變形進行長期實時監測。

7 結構應變監測

應力監測的目的是了解在交通荷載、風荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構件的應變、應力情況，為評價結構工作狀態及疲勞壽命提供依據。箱梁的損傷對橋梁使用性能的影響是直接的，對箱梁重要的、有代表性的斷面進行應力監測，可以了解作為主要承力構件的箱梁的受力狀態，及時診斷橋梁的病害、控制車輛荷載測驗及對橋梁結構進行疲勞分析是必要的。

采用光纖應變計采樣頻率10Hz，通過對應變數據的統計分析，得出結構對于不同荷載的響應程度，與理論分析結果一同作為結構安全狀態評估的依據。結合其他監測項目進行“異常”數值的原因排查，及時對構件的損傷或病害區域采取維護措施。滿足各測點的量程要求，環境要求，根據系桿拱橋的結構特點，應選取上下游4個拱腳的兩側桁拱架，共計8個截面，每個截面布置4個測點，共計32個光纖應變計對結構應變進行長期實時監測。

8 結構溫度場監測

大橋結構溫度變化是大型橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監測重要內容。結構溫度監測能了解橋址處環境溫度場的實時變化，以及大橋主要構件的溫度及溫度梯度情況，為分析結構的受力和變形提供依據，并用于結構狀態參數的相關分析。根據采集的參數，統計出每小時、每天、每月、每年的溫度值及溫差；繪出溫度時間歷程的趨勢變化。

采用光纖溫度計連續監測溫度，數據連續存儲，每1分鐘采樣一次，對于結構溫度的監測數據進行統計整理，得出較長周期內穩定的溫度分布情況。進行結構溫度關于主梁整體變形、結構局部應力水平等的單參數分析，得出溫度變化對于結構各項力學特征值的影響程度。通過溫度與變形、應變的關聯性分析，得出不同力學特征值之間的聯系。根據系桿拱橋的結構特點，考慮溫度測點與結構應力監測測點保持一致，全橋共計32個光纖溫度計，對結構溫度進行長期實時監測。

9 結構振動監測

實時監測大橋主橋主梁在風、交通、地震等作用下引起的振動加速度響應，評估結構的整體動力特性，為橋梁結構整體健康狀況評估、驗證大橋設計理論及運營管理提供依據。采用光纖光柵單向加速度計，采樣頻率為20Hz，根據較長周期監測獲取的數據，統計分析得出橋梁正常運營期間的基頻變化情況以及不同方向的振動位移峰值，并結合其他類型的監測數據，及時有效地對橋梁的工作狀態作出評估，確保結構的安全運營。根據系桿拱橋的結構特點，對于主拱，至少選取8分點截面，共計7個截面，上下游各布置1個測點，共計14個單向加速度計；對于主梁，選取8分點截面，共計7個截面，上下游各布置1個測點，共計14個單向加速度計對主供及主梁動力特性進行長期實施監測。

10 環境腐蝕監測

根據現場勘察情況及結構分析結果進行環境腐蝕的測點布置，選擇腐蝕較嚴重或易于腐蝕、結構受力較為關鍵的吊桿錨頭布置測點，確定測點數目一般宜3～6個。環境腐蝕監測采用自動化采集設備連續監測，宜每1小時采集一次數據。

11 結語

由于橋梁在建設期可能存在的初始結構缺陷，以及在運營管理中由于監測和養護管理不足，在超載或其他災害性突發荷載作用下，一些橋梁出現倒塌和破壞事故，造成了重大的生命和財產損失，因此為了保障橋梁結構的安全性、完整性和耐久性，亟須對已使用的在型橋梁采用有效的手段來監測和評估其損傷程度和安全全狀態。

參考文獻：

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