探討公路橋梁養護管理措施及長大橋梁健康監測系統建設

郭 飛

（貴州省公路局,貴州 貴陽 550081）

0 引言

隨著時間的變遷，我國部分早期建成投入運營的公路橋梁在長期的車輛載荷、環境侵蝕等因素作用下陸續出現坑槽、裂縫等病害，導致橋梁通行條件惡化，交通運輸受到影響，實際使用年限大大縮短，最終成為危橋[1-2]。因此，需要深入研究公路橋梁的養護管理方法及危橋的改造技術，以提高我國公路橋梁使用性能，保障交通運輸安全。

1 公路橋梁養護管理的有效措施

1.1 做好橋梁養護檢查工作

公路橋梁養護管理人員應按照《公路橋涵養護規范》規定，對轄區內管養的在役公路橋梁進行經常檢查、定期檢查和特殊檢查，摸清底數，建立工作臺賬。經常檢查一般每月不少于一次，定期檢查不少于三年一次。汛期還應對交通量大、重型車輛多、特殊復雜結構、技術狀況四類及以上等重點橋梁加大檢查頻率。

1.2 編制橋梁病害養護方案

不同的公路橋梁產生的病害種類、表現、成因及嚴重程度各有不同，公路橋梁養護管理人員要全面了解公路橋梁的病害類型、發展趨勢以及形成原因，結合病害現場調查結果制定針對性的病害養護工作計劃，以有效確保公路橋梁養護效果。應根據橋梁養護檢查評定的橋梁技術狀況編制公路橋梁養護方案，并及時開展養護工作，發現四、五類危橋還需及時會同公安交通管理部門實施交通管制，落實交通保暢方案。其中：一類橋梁進行正常保養；二類橋梁進行小修，及時修復輕微病害；三類橋梁進行中修，視具體情況考慮進行交通管制，及時修復或更換損壞較大的構件；四類橋梁應進行大修或改建；五類橋梁應進行改建或者重建。

1.3 開展橋梁預防性養護工作

在公路橋梁養護管理工作實踐中發現，橋梁鋪裝層、支座、混凝土結構表面裂縫、泄水孔、伸縮縫等病害往往初期就有明顯征兆，若提前開展橋梁預防性養護工作，可以提前做到治早、治小、治好，有效防止橋梁病害發生或延遲橋梁輕微病害進一步發展，延長橋梁使用壽命。例如：橋梁混凝土結構表面出現的裂縫和缺陷，若及時采取有效措施封閉裂縫和修復缺陷，可有效防止裂縫進一步擴大引起的鋼筋銹蝕等病害；橋梁運營一段時間后，因養護管理、自然因素等導致的泄水孔或伸縮縫堵塞，應及時進行清理，若發現伸縮縫失效后，要及時更換伸縮縫，避免連鎖引起其他病害問題，保證橋梁運營安全。

1.4 提升橋梁管理信息化水平

常規的公路橋梁管理養護模式需要大量專業技術人員開展人工巡查、填報檔案資料，耗時費力、浪費資源。隨著我國信息技術高速發展，運用衛星定位信息采集、互聯網、手機App、大數據分析等信息化技術，將橋梁基本情況、現場照片、檢查記錄、技術狀況、維修加固等有關信息全部錄入系統，為每一座管養的橋梁建立一份檔案，運用大數據對橋梁進行管理養護，方便橋梁管理養護人員隨時查看，可有效解決傳統人工巡查效率低、覆蓋面小的問題，同時為橋梁管理養護計劃下達提供決策依據。例如：貴州省在全國率先研發的“四好農村路”綜合管理系統，采用衛星定位技術，基于遙感影像采集農村公路橋梁所在路線及位置信息，與矢量電子地圖智能匹配核對，通過橋梁位置定位、采集橋梁病害照片與橋梁技術狀況比對，為下達農村公路危橋改造計劃提供了決策依據。同時研發了“eroad貴州”移動平臺，實現了危橋改造項目的外業采集、督查管理和綜合查詢等功能，提升了貴州省農村公路危橋改造項目管理的便捷性、高效性和精準性[3]。

2 長大橋梁結構健康監測建設

2.1 公路橋梁結構健康監測系統介紹

橋梁健康監測就是通過對橋梁結構狀況的實時監控和及時評估，使橋梁在特殊氣候條件下或在某特定的交通通行條件下達到臨界值，又或在橋梁使用期間技術狀況異常嚴重時，橋梁結構健康監測系統能實時發出預警信號，為橋梁的管理養護決策提供科學依據。公路橋梁結構健康監測系統一般由傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊、數據處理與管理模塊、系統軟件及附屬設施構成，通過實時采集橋梁環境、作用、結構響應和結構變化數據對橋梁狀態進行監測、報警、分析和評估。

2.2 公路橋梁結構健康監測系統建設要求

按照交通運輸部辦公廳印發的《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》（交辦公路〔2021〕21號）相關要求，公路在役和在建單孔跨徑500 m以上的懸索橋、單孔跨徑300 m以上的斜拉橋、單孔跨徑160 m以上的梁橋和單孔跨徑200 m以上的拱橋等長大橋梁，需建設橋梁結構健康監測系統，對長大橋梁結構健康進行實時監測，動態掌控長大橋梁結構運行狀況，及時防范化解公路長大橋梁運行重大安全風險，進一步提升公路橋梁結構監測和安全保障能力。

2.3 貴州省某大橋結構健康監測系統介紹

2.3.1 橋梁概況

貴州省某大橋，設計橋型為三跨連續剛構橋梁，全長347 m，跨徑組合為90 m+160 m+90 m。上部結構為三向預應力混凝土變截面連續箱梁，采用C50混凝土，主梁截面為單箱單室箱形截面。下部結構0號橋臺采用肋板式輕型橋臺，挖孔樁基礎；3號橋臺采用重力式混凝土U形橋臺，擴大基礎；橋墩采用薄壁墩雙墩形式，墩身外形為圓端形，基礎采用挖孔灌注樁。橋面無縱坡，設置1.5%橫坡，行車道寬9 m，兩側人行道各寬1.5 m，橋面鋪裝為2 cm厚C40墊層混凝土加8 cm厚的CF40鋼纖維混凝土，僅在左、右兩岸橋頭各設置一道MZL240型伸縮縫。設計荷載為汽車-超20設計，掛車-200驗算，人群荷載3.5 kN/m2。橋梁于2004年7月建成通車。

2.3.2 橋梁結構健康監測系統設置要求

（1）結構健康監測系統應穩定可靠，經濟實用。

（2）選用穩定性、耐久性好，能長期使用的傳感器和設備。

（3）傳感器和設備必須具有：可維護性、可更換型。監測數據必須保證既能用于結構評估，也能夠作為橋梁養護管理相關決策的依據[4]。

（4）大橋結構健康監測系統應具備預警功能。在結構響應等參數接近或突破閾值時，系統應有預警提示及記錄功能。

（5）大橋結構健康監測系統應具備一定的開放性，確保系統有相應的升級換代能力、遠程數據共享及監測功能。

（6）大橋結構健康監測系統要考慮其長期使用過程中設備損壞的實際問題，系統傳感器數量和設備等應具有適度冗余，以確保系統可靠性和滿足系統未來改進、拓展和完善要求。

（7）大橋結構健康監測系統應滿足二次開發和集成的要求。

2.3.3 系統框架與組成

總體上，大橋結構健康監測系統包括四個功能模塊：一是傳感器功能模塊，二是數據采集與傳輸功能模塊，三是數據處理與分析功能模塊，四是結構健康預警與評估功能模塊。該文重點介紹傳感器功能模塊檢測內容和測點布設，貴州某大橋結構健康監測功能模塊結構如圖1所示。

圖1 貴州某大橋結構健康監測功能模塊結構圖

2.3.4 傳感器子系統監測內容和測點布設

該橋梁監測內容包括交通荷載、環境溫濕度、結構溫度、路面溫度、地震動作用、主梁撓度、梁端縱向位移、高墩墩頂偏位、關鍵截面應力（應變）、主梁振動、結構裂縫及行車狀況，大橋傳感器總體布置如圖2。

圖2 大橋傳感器總體布置圖

（1）交通荷載監測。通過視頻監測和稱重系統記錄橋梁結構在運營過程中通過的車輛車速、車型、車重、車流量等。該橋采用設備為動態稱重系統2套和高清攝像頭2個。動態稱重系統安裝在距離0號橋臺40 m路基或有穩定支撐等結構鋪裝層內處，在1號、2號兩個高墩墩頂分別安裝一個攝像頭。

（2）環境溫濕度監測。實時監測部署位置的環境溫濕度數據，分析大橋在環境溫度下結構受力的變形、結構狀態和耐久性。該橋采用設備為2臺溫濕度計。在主跨跨中橋面布置1個溫濕度計，用以監測橋址區環境溫濕度。主跨跨中箱梁內布置1個溫濕度計，用以監測主梁內溫濕度。

（3）結構/橋面鋪裝溫度監測。主要考慮橋梁運營期對日照等影響下箱梁溫度梯度對橋梁結構受力的影響，實時監測部署位置的溫度數據，為分析橋梁在溫度作用下結構受力和變形、結構狀態提供依據。該橋采用設備為28個應變計含溫度加1個路面溫度計。在橋梁左邊跨跨中、左邊跨右梁端、中跨左梁端、中跨跨中、中跨右梁端、右邊跨左梁端、右邊跨跨中7個截面布置，每個截面布置4個應變計。橋面溫度計布置于中跨跨中橋面外側。

（4）地震動作用監測。主要考慮橋梁運營期的地震輸入時程，為進一步評估地震帶來的橋梁損傷提供依據。該橋采用設備為三向加速度傳感器1臺。布設于右岸橋頭內側山壁，對橋址附近三個方向對加速度進行長期實時監測[5]。

（5）主梁撓度監測。通過監測大橋主梁的空間位移，確定大橋主梁的變形狀況、幾何線形等情況，及時、直觀地提供數據，為評價大橋結構狀況提供依據。本橋采用設備為7臺靜力水準儀。布置于橋梁左邊跨跨中箱梁內底板、1號墩箱梁內底板、中跨1/4點箱梁內底板、中跨跨中箱梁內底板、中跨3/4點箱梁內底板、2號橋墩箱梁內底板、右邊跨跨中箱梁內底板，對主梁撓度進行長期實時監測。

（6）梁端縱向位移監測。對梁端縱向位移進行監測，實時了解其疲勞效應和磨損情況，為評估風荷載、地震、交通對大橋結構的作用提供依據。該橋采用設備為4個拉繩式位移計。分別選取主橋上下游梁端處進行監測，對梁端位移進行長期實時監測。同時在伸縮縫位置處布置永久人工觀測點[6]。

（7）高墩墩頂偏位監測。通過實時監測橋梁橋墩墩頂偏位狀況，實時了解橋梁在風荷載、溫度荷載及交通荷載等作用下受力情況，為大橋工作狀態動態顯示及結構健康評估提供依據。該橋采用設備為2個傾角儀。選取1號墩、2號墩墩頂各布設2個測點，對高墩墩頂偏位進行長期實時監測。

（8）主梁混凝土結構構件應變監測。監測箱梁應變，可以獲取箱梁內部溫度分布，了解溫度和應變關系，同時了解主梁溫度、應變變化情況。該橋采用設備為28個振弦式應變計。選取橋梁每跨跨中、1號墩、2號墩兩側箱梁內各布置4個測點。

（9）主梁振動監測。對主梁振動進行實時監測，并根據振動頻譜對構件對振動進行監測及預警，同時可根據數據進行模態分析，判斷結構振動衰減情況。該橋采用設備為5個三向加速度傳感器。選取每跨跨中及主跨四分點各布置1個三向加速度傳感器，對結構應變進行長期實時監測。

（10）裂縫監測。通過實時監測裂縫寬度和發展趨勢，判斷橋梁結構在運營階段對穩定狀態，同時為橋梁結構進行安全性和耐久性分析提供依據。該橋采用設備為14個柔性導電涂料膜。選取橋梁每跨跨中、1號墩、2號墩兩側箱梁內各布置2個測點。一旦裂縫發展超過預設墩閾值，能夠發出早期預警，避免病害進一步發展擴大。

（11）外站設備。該橋外站設備主要有一體化機柜、UPS、工控機、監控中心服務器、交換機、光纖接發器、串口模塊、直流電源、電源防雷器及信號防雷器等。

2.3.5 其他設備

其他設備主要有采集數據軟件、數據平臺對接、數據傳輸、數據預處理與存儲、橋梁監測數據顯示、數據庫設計等。按照交通運輸部要求，系統下步將與省、部平臺進行對接，系統數據接口采用《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022）要求的標準接口。

3 結論

綜上所述，加強和規范公路橋梁養護管理工作，是公路暢通和橋梁安全運行的重要保障。利用公路長大橋梁結構健康監測系統，可實時掌握公路長大橋梁結構狀況，防范化解公路長大橋梁運行安全重大風險，提升橋梁管養應急處置和安全保障能力，事關人民生命財產安全。因此，公路橋梁養護管理人員應該充分重視橋梁養護管理工作，規范認真地開展橋梁養護管理工作，按要求運用長大橋梁結構健康監測系統，為大眾交通安全保駕護航。