基于輕量化監測的橋梁加固改造后評估方法研究

徐衍亮

(南京市公路事業發展中心，江蘇 南京 210014)

0 引言

橋梁既是土木工程領域重要的基礎設施，也是公路體系中關鍵的節點工程。截至2021 年年末，我國公路橋梁96.11 萬座、共7380.21 萬米，比上年末分別增加4.84 萬座、751.66 萬米。我國橋梁建設規模快速發展的同時，已建成橋梁的服役年限也不斷增長，服役年限不斷增加意味著橋梁會由于材料性能退化等因素，導致出現各類病害、安全性風險。對于病害較為嚴重的橋梁，有針對性地進行加固改造對其持續健康運營起著極為重要的作用。雖然國內外一些學者對橋梁加固進行了大量研究，但主要是關于技術的研究[1-4]。

橋梁加固效果受到施工條件、修復材料等因素影響。相關學者基于此做了大量的工作。王建民等[5]采用模糊層次分析法對橋梁進行評價，并通過工程實例證明了模糊層次分析法在橋梁綜合評價中的可行性。黃超等[6]針對廈門后溪長途汽車站平移工程實例，利用模糊層次分析和模糊綜合評判法建立建筑平移工程風險評估模型，對平移施工中的風險進行評估和規避。

總的來說，目前加固改造后的橋梁往往僅通過外觀觀測或簡單儀器來定性判斷加固改造質量，缺乏一種有效的后評價方法對加固改造橋梁進行長期有效的效果評估，因此有必要采取一套科學客觀的評估方法對加固改造橋梁進行定性評價。近年來，橋梁健康監測系統作為保障在役橋梁安全的重要手段在全國被大量推廣，而輕量化監測的推出在此基礎上進一步解決了結構健康監測的經濟性問題，使監測系統在中小橋梁的應用成為可能[7-8]。因此，本文提出了一種基于輕量化監測的橋梁加固改造后評估方法，能夠有效地檢驗橋梁加固改造后的技術指標，填補了當前加固改造橋梁在定性評價方面的空白。

1 監測內容

對于加固改造橋梁，此次研究重點關注其強度、穩定性以及運營過程中的交通情況。因此，本文提出了通過橋梁的撓度變化、應力應變以及交通流量來實現加固改造橋梁的定量評估。加固后評估的監測方法主要包括橫向剛度監測、交通流量監測以及應力應變監測。

1.1 橫向剛度監測

監測目的：當出現接縫縱向開裂、橫隔板開裂及頂、底板縱向裂縫等病害時，橋梁很可能存在橫向聯系減弱、橫向剛度降低、梁體的受力不均等問題，需要利用粘貼橫向鋼板或橫向預應力碳纖維板等方式進行處治。通過橫向剛度監測，可以為分析加固改造前后橋梁的橫向連接性能提供依據，保證橋梁橫向受力的均勻分布。

監測設備：光電撓度儀+光電標靶（同截面布置）。

監測方法：在梁端固定點安裝光電撓度儀并調整角度，使之能對準跨中梁底橫向布置的多個光電靶標。通過橫向對比不同位置處的豎向變形大小，分析梁段的橫向連接穩定性及協同受力變形情況。

1.2 交通流量監測

監測目的：車輛荷載為橋梁運營期的主要荷載，且超載車輛是造成橋梁破壞和影響橋梁壽命的主要因素，對橋梁結構實際所受荷載進行分析,可使橋梁健康監測更加直接、可靠。監測橋梁交通荷載，進行車流、車道、車型識別，統計分析荷載規律和交通流特征，為結構響應的比較分析提供數據支撐。

監測設備：車流量攝像頭。

監測方法：在橋面安裝車流量攝像頭。動撓度傳感器實時獲取動撓度監測值，發現撓度超限情況時，利用車流量攝像頭抓拍橋梁通行超重車輛，并通過車流量大小和主梁撓度的相關分析，為及時、直觀評價橋梁的狀態提供數據支撐，為評價橋梁的適用性和耐久性提供依據。

1.3 應力應變監測

監測目的：病害情況嚴重的上部結構需要通過更換新梁的措施對橋梁進行加固改造以確保安全使用。在新梁澆筑前可預埋嵌入式鋼筋計，監測梁底縱向主筋應力，了解梁體內部受力情況并與外部混凝土的表貼式應變計數值比較，多維度評估梁體受力情況。

監測設備：應變計+鋼筋計。

監測方法：在新換梁底內部縱向鋼筋上安裝埋入式鋼筋計，監測內部鋼筋應力大小；在對應位置的外部混凝土表面安裝表貼式應變計，監測外部混凝土應力。對兩類應力進行對比評估，以得到梁體的內外應力分布情況和變化趨勢。

2 采集傳輸方式

在標準化的橋梁結構健康監測系統中，橋址現場處需要布置體積龐大的專用工業控制計算機，運輸和安裝都極為不便。此外，為滿足各種監測傳感器的需求，工控機還需搭載各種擴展接口，如RS232、RS485等，集成度低，板卡插件太多，組織復雜，易出現問題。以往，這種工控機為橋梁結構健康監測提供了有效的采集傳輸方式，但隨著計算機系統小型化、網絡化的不斷發展，傳統工業控制計算機系統凸顯出成本太高、系統可適應性差等諸多缺陷，難以適應監測系統現場復雜、惡劣的環境。

應用基于4G-DTU 的無線遠端采集系統，無線傳輸無需設立采集站，工程成本低、施工便利。根據目前健康監測系統構成，輕型化監測系統適用于通過串口傳輸數據的長期低頻、短期高頻采樣傳感器，如應變計、光電撓度儀、加速度傳感器等使用串口進行數據傳輸的設備。輕型化監測系統首先對DTU 進行設置，設置要連接的中心IP 和端口及其他必要性的設置，設置好后傳感器或采集設備通過RS485 接口和DTU 相連，DTU 上電之后根據事先設置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數據。選用能聯網的工作站（接入寬帶網絡，能夠進行外網訪問），如運行中心軟件的工作站在局域網里面，就要在局域網路由器做端口映射到本地工作站，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO或組態軟件，開放一個端口，運行相關軟件等待DTU的連接。DTU 連接中心后，就可按要求進行傳輸數據，中心收到數據后，通過系統進行解密、過濾、篩選，最終獲得所需要的數據。通道建立成功后，DTU 串口實時監控采集器的數據，只要串口有數據過來，DTU將全透明進行實時傳輸。如果數據量小或需要定時傳輸數據的，DTU 可選數據激活、電話呼叫或短信激活等模式，或根據實際應用也可考慮修改軟件來實現數據傳輸的需要。這樣就可靈活應用不同的數據傳輸需求來采取不同的傳輸方式，以減少及節約不必要的傳輸費用。

3 應用案例

3.1 橋梁概況

南京市G205 龍池立交橋（左幅橋）位于G205 寧連公路，橋梁建成于1995 年，設計荷載等級為汽-20 級，掛-100。管養單位為南京市公路事業發展中心。

該橋為單幅橋，橋梁全長490.0m，橋面全寬11.75m。上部結構跨徑布置由北往南為（6×21）m+（21+34+36+21）m+（5×21）m+21m+（3×21）m+（3×21）m，共22 跨。其中，跨越六合大道的為（21+34+36+21）m 的四跨預應力混凝土彎箱連續梁，其余橋跨為21m 鋼筋混凝土簡支T 梁，橫斷面由7 片梁組成，T梁和T 梁間連接形式為鉸接。

3.2 監測方案

龍池立交橋在定期檢測時被發現部分T 梁存在嚴重開裂，危及結構安全，于是進行了針對性的加固搶修。加固改造方案的主要內容包括更換開裂嚴重的T 梁，重做T 梁拼接縫以及T 梁粘貼鋼板加固。因此，在龍池立交健康監測系統中，對更換的T 梁構件及周圍梁段和橫隔板進行了應力應變監測，從而實時了解梁段應力分布，進行新舊構件受力狀況對比，并跟蹤應力變化趨勢。此外，還密切關注了加固改造梁段的幾何線形及其變化，以及匝道區域交通流量、荷載情況，研究撓度變化與交通荷載的關系，為橋梁工作狀態動態顯示及結構健康評估提供資料。橋梁結構監測系統總體布點圖見圖1。

圖1 龍池立交橋傳感器總體布置圖

3.3 分析評價

本文從應力應變的變化趨勢和主梁撓度的對比兩方面對加固后的龍池立交橋做出了分析評價，具體結論如下。

3.3.1 主梁撓度

龍池立交橋的主梁撓度變化原因除了車輛荷載之外，還受溫度荷載影響。9：00～17：00 主梁跨中撓度逐漸減小，17：00～次日9：00 主梁跨中撓度逐漸增加，同時熱脹冷縮也會導致梁端發生縱向位移、支座出現剪切變形。因此，建議平時應加強對伸縮縫和支座的檢測。

從圖2 可以看出每天5:00～23:00 主梁跨中撓度出現明顯波動，因此可以判斷出該橋車輛的通行時間主要分布在每天的5:00～23:00，而23:00～次日5:00車輛通行較少。

老梁跨中撓度大于更換的新梁，即更換的新梁相比老梁的整體剛度有一定程度的提升（見圖2）。

圖2 龍池立交橋跨中撓度對比圖

同跨兩片新更換的梁跨中撓度變化趨勢基本相同，相同截面的各新換T 梁的剛度基本保持一致。

3.3.2 應力應變

新換T 梁腹板跨中位置處內外部應力變化趨勢基本一致，內部鋼筋應力數值顯著大于外部混凝土應力。

新換兩片T 梁支點位置處腹板內鋼筋應力相比澆筑前初始應力增長較大，應力變化基本一致，靜應力波動不超過5MPa。

同一跨跨中截面上各片T 梁的腹板外表面混凝土應力變化趨勢保持一致，靜應力波動不超過2MPa（見圖3）。

圖3 龍池立交橋應力應變數據對比圖

4 結語

本文提出了一種基于輕量化監測的橋梁加固改造后評估方法，通過橫向剛度監測、交通變形監測及應力應變監測，實現了加固改造橋梁的有效定性評估，并在龍池立交橋上進行了應用驗證。通過對龍池立交橋監測數據的處理分析，該方法實現了對加固效果的量化分析，取得了一定成果。

對于未來的進一步研究，可以在加固前后持續監測并進行比對，進一步挖掘監測數據價值，識別結構變化特征，并據此對監測方法和位置進行敏感性分析，從而優化監測方案設計，提升數據分析效用。長期來看，在加固改造完成后進行性能驗證，既能反饋加固設計，形成良性循環，也能指導今后加固方案設計，提升加固改造前期設計的科學性和合理性。