淺談橋梁健康監測技術在雙曲拱橋中的應用

張姝娟

（上海高架養護管理有限公司，上海市 200439）

0 引言

雙曲拱橋誕生于20世紀60年代的我國，由于當時制造水平低下，建設生產資料的匱乏，我國設計工作者結合拱橋和梁橋的特點，創造了該類經濟實用、美觀輕巧、自重較輕的裝配式拱橋。該類橋型一經問世，就得到了廣泛的推廣和應用，據統計，在問世后的十年內就建成了4 000多座，總長度約30萬米[1]。隨著國民經濟的不斷發展，此類橋梁正逐漸被其他新結構形式橋梁所取代。而舊有雙曲拱橋在長期處于不斷增長的大交通量、自然條件侵蝕的考驗下，不斷老化、破損，我國目前對于部分可修繕且費用不太高的這類橋梁，均采用了維修加固等方式，而加固后的這類橋梁結構，依靠常規養護手段，已無法準確掌握運營過程中結構性能狀況和結構損傷情況，這對橋梁結構的安全運營非常不利。橋梁健康監測系統作為一種智能化主動養護策略，彌補了原有被動養護策略的不足，可以實時、準確的監測橋梁的運營狀態。因此，對雙曲拱橋健康監測系統進行研究，并將研究經驗推廣至其他中小橋梁，正成為橋梁管理部門迫切需要解決的一個難題[2]。

本文以蘇州河上寶成橋健康監測系統為工程實例，詳細闡述了該橋結構健康監測項目的實施及運營情況，并對其他既有中小橋結構健康監測提出有價值的建議。

1 雙曲拱橋受力特性

進行橋梁健康監測系統設計、確定測點布置前，需要對橋梁受力特征進行分析。

雙曲拱橋是一種裝配式拱式結構，通過施工現場或工廠預制拱肋、微彎板及橫向聯系，待各構件達到設計要求強度后，采用現場小型機械吊裝的方式，拼接成整體，實現了結構體系”化整為零”到“化零為整”的過程[3]。從拱橋的受力機理上來說，拱橋將承受的豎向荷載轉化為拱腳對地基的水平推力及豎向壓力傳遞給地基[4]。這種拱橋的受力特性使得拱腳變位（轉動、位移）及拱軸線的些許變形將產生較大的附加內力，使得橋梁結構內部受力發生巨大變化，同時由于該類橋梁屬于裝配式結構，受限于當時技術條件影響，結構整體性較差，這些因素都嚴重影響此類橋梁的承載能力及使用安全。

2 健康監測方案

2.1 工程概況

寶成橋是一座專供行人和非機動車通行的單跨鋼筋混凝土雙曲拱橋，建成于1971年，凈跨徑44.0 m，矢高為5.5 m，矢跨比為1/8，橋寬6.7 m，設計荷載為人群荷載400 kg/m2，上部結構主拱由3片拱肋和2片拱波組成，下部結構橋臺采用齒檻式橋臺，橋臺基礎采用兩排樁長分別為4.5 m和5.5 m的預制方樁。

2.2 寶成橋結構健康監測的必要性

（1）寶成橋作為上海蘇州河上目前唯一一座雙曲拱橋，服役年限長，歷史悠久，具有重要的保護價值。

（2）上海軟土地基對拱橋影響較大，土體徐變、滑移及沉降將大幅削弱地基對拱腳水平推力的抵抗能力，因此需要基礎沉降數據支撐日常管理。

（3）現階段寶成橋養護存在時間盲區，傳統的人工巡查及定期檢查、檢測不足以使技術人員及時對隨時可能發生的危急突發狀況對橋梁技術狀況的影響做出準確評估，因此需引入監測系統作為補充。

（4）寶成橋橫跨蘇州河，位于市中心，具備重要的歷史文化意義和社會影響力。若寶成橋發生突發性安全事故，會很大程度上影響過往行人安全，導致交通中斷，帶來巨大的財產損失及惡劣的社會影響，影響城市發展，給蘇州河沿線橋梁的管養帶來不良的示范，通過健康監測的方式，管養部門可以實時掌握寶成橋整體結構安全狀態，使寶成橋的安全可以做到心中有數，對寶成橋、蘇州河沿線橋梁乃至上海市均具備重大意義。

（5）通過對寶成橋實施健康監測，切實了解寶成橋的真實受力狀況及特點，同時可將監測成果推廣應用于其他在役拱橋上，讓其他拱橋也可以做到安全可控，其更深遠的意義還可以完善橋梁結構的設計方法和理論，修編相應的規范標準。

2.3 測點布設

根據橋梁結構相關監測規范[5-6]的規定，拱橋結構健康監測內容包括車輛荷載、船舶撞擊等16項內容，若將全部監測指標均列為橋梁的監測項目，則投資規模和日常需處理的數據量將相應增大，大量監控數據也將影響技術人員對橋梁關鍵技術指標的快速識別，因此需優化監測項目，精準確定監測指標的數量[7]。綜合考慮寶成橋的基本信息、運營狀況、橋梁現狀以及歷年的沉降監測及檢測報告，考慮溫度對寶成橋的影響及危害、投資規模，寶成橋的監測項目擬定為：變形監測和環境監測共2項，其中變形監測系統包含橋面線形、拱軸線線形、橋臺沉降、排架立柱橫向位移共4個子監測項目。

（1）變形監測系統

系統采用基于攝影測量法的高精度實時在線位移監測手段，由布設于已知相對靜止位置的基準點和多個被監測位置的監測點組成，基準點和監測點分別布設基準靶和測量靶，利用攝像機拍攝基準靶與測量靶之間的相互位置變化來計算被測目標的X（水平）、Z（沉降）位移情況。當被測目標發生位置變化時，通過軟件特定算法實現位移距離與像素的轉換，從而得到實際的位移量，是一種高精度、非接觸式的測量方法，目前已被廣泛應用于橋梁主梁的動撓度監測、橋面線形監測、橋墩位移監測、鉸縫錯位（主梁梁間相對變位）監測、支座三向位移監測等，可進行長期在線實時監測。

a.橋面線形監測

通過在橋面安裝傳感器來實現對橋面線形的監測，共設置5個橋面線形測點，并布設3個觀測墩作為測量基準點。

b.拱軸線線形

選取一側邊拱肋8分點及兩端拱腳作為拱軸線變形監測點，共計9個測點，每個監測點安裝1個傳感器，共布置9個傳感器。

c.橋臺沉降情況

橋臺的穩定對雙曲拱橋而言至關重要，上海為軟土地基，出現地基沉降的風險較大，選取寶成橋兩端橋臺處線形監測點同時作為橋臺沉降監測點，共布置2個沉降監測點。

d.排架立柱橫向位移

排架立柱的橫向位移是雙曲拱橋安全監測的關鍵，選取橋梁一側排架立柱頂部2個橫向位移監測點，全橋共布置2個排架立柱橫向位移監測點。

（2）環境監測系統

通過以往定期檢測及檢查數據可知，寶成橋的線形及其他變形相關數據受環境溫度影響較大，準確了解其環境溫度、濕度等外界環境的變化規律和趨勢顯得至關重要，全橋設置1個溫度環境監測點。

3 監測數據分析

3.1 與人工定期監測數據對比

為驗證監測系統所采集數據的準確性和可靠性，于2021年8月對該橋進行人工測量，將對拱軸線測點的人工監測數據與本系統同時段采集數據對比，見表1。

表1 人工監測數據與系統監測數據對比

由表1可見，人工監測數據與同時段本系統監測數據基本吻合，最大偏差僅為8.2%。由此可見，本系統監測效果準確可靠，與傳統人工定期監測相比，基于攝影測量法的在線位移監測系統能夠有效限制因人為而產生的測量誤差，有利于實現監測數據的重復性自動化處理。同時，系統通過對橋梁24 h不間斷“陪伴式”監測，可有效規避人工定期巡查空窗期內的檢查“盲區”，結合計算機對海量實時監測數據的統計分析而計算出的該橋當日、當月平均數據，有利于工程技術人員準確把握橋梁技術狀況變化規律和預測變化趨勢，達到避免或減少災難性事故發生的目的。

3.2 系統監測數據與理論分析數據對比

為研究系統監測數據與理論分析數據的偏差，采用Midas Civil建立簡化、離散后的該橋有限元模型，見圖1。

圖1 有限元分析模型

考慮溫度對結構的影響，以近九個月該橋環境溫度值作為變量，計算分析得到該橋拱軸線1/8、1/4、3/8及1/2測點在對應溫度下撓度理論值，并與本系統監測數據進行對比，見圖2，因人工定期監測僅為半年一次，因此不列入本次數據對比范疇。

由圖2可見，在溫度荷載作用下，采用本系統所得到的拱軸線測點監測數據與理論分析數據吻合度較高，各測點高程受溫度影響較大，隨溫度升高而上升，且高程變化量由拱頂向橋梁兩端逐漸減小。

圖2 有限元分析結果與監測結果對比（單位：mm）

4 總結、展望及思考

隨著我國公路橋梁事業的蓬勃發展，以保障橋梁安全運營為主要目標的橋梁健康監測系統因具有常規人工檢測所不具備的優勢正日益得到廣泛應用。本文以寶成橋為工程實例，詳細介紹此類橋梁結構健康監測的方案擬定過程，并對實時調取的監測數據進行分析，可以得到如下結論：

（1）與人工定期監測相比，系統具有可靠性高、海量數據處理方便、有效控制誤差、可部分代替人工定期檢查的優勢。

（2）通過對寶成橋的健康監測，在不斷總結監測經驗，完善監測技術基礎上，可以將其對雙曲拱橋的監測成果應用到其他中小橋梁上，從而建立橋梁安全大數據，挖掘大數據背后對橋梁管理、橋梁養護工作的數字化體現，有方向性地優化管養工作程序及方式，實現橋梁管養逐漸向智能化，數據化轉變，提升管理巡視水平，為橋梁管理提供可靠的技術、數據支持[8]。

（3）通過對寶成橋開展健康監測，可切實對比巡檢、定檢、監測在橋梁養護中的功效和經濟效益，逐漸摸索出巡檢、定檢、監測三者效用最高、經濟性最好的最優組合管養模式，并將新的管養模式推廣至蘇州河沿線橋梁乃至上海市其他橋梁的管養工作中。

（4）受限于本項目的投資規模，綜合考慮加固后橋梁受力性能改善及通行荷載等因素，本工程未將關鍵截面應變列為監測內容，使得結構局部損傷監測數據部分缺失，建議今后采用應變計布置在拱頂正彎矩及拱腳負彎矩關鍵斷面，實時監控應變數據，不斷完善健康監測系統，以獲取更好、更有價值的數據，為更加全面、準確把握橋梁受力狀態，科學評估橋梁技術狀況提供有力支撐。