大跨度軌道斜拉橋健康監測問題思考與對策

曹文劍

（重慶市市政設計研究院，重慶 400000）

關鍵字：大跨度斜拉橋；健康監測；對策

0 引言

橋梁的健康問題，一直都是橋梁工程當中十分注重的問題。大跨度斜拉橋梁，具有跨度大，結構形式美觀等特點。橋梁健康監測最早起源于1950年代。通過幾十年的發展，橋梁健康監測已經逐漸形成為一門專業學科，涉及到橋梁的設計、施工、運行全過程監測，極大的保障了橋梁專業的高速發展。對于傳統的橋梁健康監測問題而言，受制于技術設備的限制，橋梁的健康監測存在著許多的缺陷和不足，例如監測精度不夠、橋梁損傷判斷不夠科學等等。本文通過對這些存在的問題一一展開討論分析，指出相應的改進措施和建議。

1 橋梁健康監測

1.1 橋梁健康監測概念

橋梁的健康監測是指通過相關的監測技術和設備對橋梁的運行狀態進行監測，然后通過對監測的橋梁狀態數據進行計算分析，判斷出橋梁的健康狀態，損傷情況。對于大跨度斜拉橋梁的健康監測而言，其主要監測內容就是對斜拉橋的主要結構，如拉索、橋墩等進行整體的無損監測。無損監測就是不破壞橋梁的現有結構，通過在橋梁表面的關鍵部位布置各種監測傳感器對橋梁結構進行實時監控，然后通過監測數據對橋梁的運行狀態和損傷的程度、可靠性和耐久性、承載力進行計算評估和分析。

1.2 大跨度斜拉橋梁健康監測內容

大跨度斜拉橋梁的健康監測具有外表觀察、幾何尺寸的檢查、支座檢查、斜拉索的應力監測等等內容。詳細如下：

(1)橋梁觀測的檢查：通過直接的視覺觀察法對斜拉橋梁的外觀進行觀察檢查。這個環節主要是檢查橋梁的外露的混凝土表面是否出現了分化、剝落、破損和裂縫等情況。對出現的混凝土的裂縫進行重點觀察測量，通過計算分析判斷其裂縫寬度是否能夠滿足規范要求，同時也需要對裂縫處的鋼筋的銹蝕情況展開監測并及時的進行處理；

(2)橋梁幾何尺寸的檢查：對于橋梁的幾何尺寸的檢查是指對斜拉橋梁的上部結構的結構尺寸進行測量，記錄其尺寸的變化。重點對橋梁的上部伸縮縫的張開度進行監測，時刻關注其變化情況；

(3)斜拉橋梁的受力狀態十分的復雜，對其橋梁的截面進行控制監測，時刻關注其截面的變化情況；

(4)對斜拉橋梁的墩臺、基礎、支座和接頭的連接部位的轉角、位移以及支座反力進行監測；

(5)對斜拉橋梁的預應力拉索的預應力損失監測；

(6)記錄斜拉橋在正常的運營條件下的結構位移、振動等數據；

(7)記錄溫度(氣溫和結構溫度)、風載參數(風速、風向、風壓等)、冰層厚度和水文資料等。

1.3 橋梁健康監測應用情況

橋梁工程發展已經具有數百年的歷史，由于以往的橋梁具有結構形式簡單，跨度小等特點，人們對其健康監測并沒有引起足夠的重視。近年來隨著橋梁工程的發展，大跨度斜拉橋梁逐漸成為大型橋梁的首選橋型。近年來，由于斜拉橋梁的健康監測的缺失帶來了大量的斜拉橋的病害突發，造成了許多的經濟損失。因此，橋梁的健康監測越來越受到世界各國的重視。目前，橋梁的健康監測無論是監測方法還是健康監測體系都逐漸發展成熟起來，取得了巨大的成就，受到世界各國的廣泛的認可。

2 大跨度斜拉橋梁健康監測的重要性

對于大跨度的斜拉橋梁而言，其具有體型輕柔，結構形式簡單等特點。目前斜拉橋梁正在朝著結構形式復雜化的方向發展，這也就造成了斜拉橋梁的施工越來越復雜。因此，大跨度的斜拉橋梁的運營狀態的監控具有非常重要的作用和意義。對于大跨度的斜拉橋梁的監控而言，其需要貫穿于整個橋梁設計、施工、運行狀態。因為斜拉橋梁的建設是一個十分漫長復雜的過程，在整個建設期間需要經歷多次的結構體系的轉換。在這些轉換的過程當中，橋梁的結構很容易在外界的影響下發生結構變形，大大的降低橋梁的結構安全性。另外一個方面，斜拉橋具有較為復雜的施工工藝和方法，對施工過程的監控量測具有較高的要求。例如，如果在主梁施工時采用的施工工藝不當，就會造成橋梁主梁內力分布不均，產生應力集中，這樣就會大大的加快橋梁的老化速度，降低橋梁的使用壽命。嚴重時甚至會造成嚴重的施工安全事故；除了橋梁的施工階段需要進行橋梁的狀態監測外，橋梁的運營階段也需要進行橋梁的健康監測。因為橋梁的正常運營環境非常的復雜，在外界環境和車輛荷載等因素的影響下非常容易出現橋梁的病害，降低橋梁的力學性能和安全性能。

因此，為了保障大跨度斜拉橋梁在施工和運行階段的安全，必須對大跨度的斜拉橋進行全壽命的健康監測。所謂的全壽命健康監測是指從大跨度斜拉橋梁的施工、成橋以及運營階段進行健康的監測。對于大跨度的斜拉橋梁無論是從橋梁的建設、運營的安全管理角度，還是后期維修加固的經濟性角度都具有十分必要的現實意義。

3 大跨度斜拉橋健康監測存在的問題及優化措施

隨著我國大跨度斜拉橋梁總里程數量不斷增加，大跨度斜拉橋梁的健康監測問題越來越受到關注和重視。但是由于我國的大跨度斜拉橋梁的健康監測系統的建設工作起步較晚，其中許多的先進技術還處于試驗探索階段，目前仍然還存在著許多的問題和不足。本文通過查閱相關文獻[2-3],總結分析出了斜拉橋梁結構健康診斷方面存在的以下問題和不足：

3.1 現有健康監測系統的數據采集精度不夠

對于斜拉橋梁的健康監測，首先就是要對其位移變形等數據進行精確的觀察監測。而對于橋梁的位移監測，目前主要采用的是全站儀進行監測。但是目前的全站儀最好的精度只能夠達到1mm,測角精度為0.5 秒。而對于橋梁的應變而言，其測量的精度只能夠達到3x10-6～5x10-6。這樣的數據采集精度卻不能夠滿足大跨度斜拉橋的監測要求。試驗研究表明，這樣的監測精度會造成拉索的內力的監測結果存在上下約3%的誤差，橋梁的振動頻率會具有1%的測量誤差。可以采用更加先進的監測儀器，同時結合對測量點的布置和計算方法進行優化，來彌補由于測量精度不足帶來的監測誤差。

3.2 結構損傷識別缺乏系統認識

通過橋梁的監測數據進行計算分析，判斷橋梁的結構損傷大至的位置、形式、程度，進而判斷橋梁的安全性能。但是對于大跨度的橋梁健康狀態的監測數據的分析而言，其所謂的“安全”只是一個相當含糊的概念。這樣就造成了目前還沒有形成一個結構的損傷識別的系統性認識。對于這一問題，首先需要建立起符合相關規范的健康損傷指標，加強對橋梁的各結構的工作特性之間的相互關系的研究，建立起一個準確的結構損傷的判斷標準。

3.3 數據存儲和傳輸問題

對于大跨度的軌道交通斜拉橋梁而言，監測點點位間距較大。各監測點的監測數據的傳輸，顯然只能采用無線傳輸的方式進行。但是目前的監測數據的如何高效傳輸和儲存還是一個亟待解決的問題。采用更加科學高效的無線傳感器網絡通信節點協議，對數據進行分類儲存管理是解決這個問題的關鍵措施。

4 結束語

對于大跨度軌道斜拉橋的健康監測，需要建立起橋梁的全壽命的健康監測系統。本文通過對斜拉橋梁的健康監測的概念和應用情況進行分析，指出了目前存在著一些問題和不足，提出了一些個人的意見和改進措施。為提高我國的斜拉橋梁的健康監測行業的發展提供一些參考性意見。