孫中陽

（河南省交院工程檢測科技有限公司，河南 鄭州 450000）

在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，我國公路橋梁建設(shè)取得了巨大的成績。但因受到外界多種因素的制約，公路橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同程度的損害，進而導(dǎo)致其抗力逐步衰減。為此，通過何種方式可對公路橋梁的健康情況進行及時、準確地掌握，成為人們關(guān)注的焦點。選用管養(yǎng)為目的的公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)，可對公路橋梁結(jié)構(gòu)情況進行科學(xué)監(jiān)測與評估。在一些特殊天氣及交通條件下，公路橋梁往往會出現(xiàn)一些問題，通過該監(jiān)測技術(shù)，可及時對橋梁運營產(chǎn)生的異常情況進行預(yù)警，并對橋梁使用年限進行科學(xué)、準確地分析與評估，為后期橋梁工程管理、維護提供便利。

1 當(dāng)前我國橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)由20世紀80年代被提出，隨后在大量橋梁建設(shè)中設(shè)置了用于運營安全監(jiān)測目的的健康監(jiān)測系統(tǒng)。21世紀之后，我國多數(shù)橋梁都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。在早期安裝中，多為傳感器這類簡單的監(jiān)測系統(tǒng)，部分系統(tǒng)經(jīng)多年通車使用后按照相關(guān)部門的需求進行了升級應(yīng)用。當(dāng)前，在新建橋梁中健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計更具合理化，安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)成了大跨度橋梁建設(shè)必須考慮的條件。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，強監(jiān)測弱診斷成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要形式，為達到健康監(jiān)測系統(tǒng)的目標，要求加大研究監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及健康診斷的力度，特別是在自診斷技術(shù)應(yīng)用中，要求更好地發(fā)揮其在線化、連續(xù)化及自動化的優(yōu)勢。

在健康診斷及安全預(yù)警研究中，通常需要先掌握能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、損傷反映出來的特征指標，隨后根據(jù)健康監(jiān)測原始數(shù)據(jù)信息，進行此類指標的計算，并準確分析結(jié)構(gòu)行為，且與專家經(jīng)驗相結(jié)合，對此類指標取值范圍進行設(shè)定及劃分，以此獲取指標閥值體系，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對指標值進行準確計算，隨后分析對比該指標值和閥值體系，以此診斷健康監(jiān)測狀態(tài)并進行安全預(yù)警。

2 公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的概況

以往主要選用人工方式進行橋梁安全檢測，或針對橋梁定期實施全面檢查，如出現(xiàn)異常情況，如地震等，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，且對結(jié)構(gòu)安全造成危害的情況下，需及時做好檢測評估工作。這種情況下，橋梁損傷已經(jīng)較為嚴重，選用人工特殊檢測、評估，不僅會花費大量時間，還會產(chǎn)生大量費用，且與橋梁安全應(yīng)急管理的要求不符。為此，基于管養(yǎng)目的，應(yīng)選取切實可行的監(jiān)測方法，更好地提升公路橋梁質(zhì)量。

通常情況下，可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等對公路橋梁結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)進行監(jiān)測，在橋梁健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中，其應(yīng)用優(yōu)勢如下：

（1）通過橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可及時獲得橋梁結(jié)構(gòu)特征信息，并能及時了解橋梁的健康狀況。

（2）橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的主要部位或整體性能，從而為維修、管理橋梁工程提供參考依據(jù)。

（3）橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可對橋梁所承受的動載及靜載能力進行科學(xué)評價，為橋梁運營決策、管理提供保障。

（4）橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可對橋梁設(shè)計方法、理論的合理性進行驗證，并為設(shè)計修改提供依據(jù)。

3 公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)要點

在我國交通運輸發(fā)展中，橋梁占據(jù)著重要的地位，加大橋梁監(jiān)測工作力度，可及時找出其病害，為病害原因分析及處理提供可靠依據(jù)，進而提高橋梁運營的安全性。定期監(jiān)測與實時監(jiān)測是監(jiān)測系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容，具體如下：

3.1 定期監(jiān)測

定期監(jiān)測主要監(jiān)測公路橋梁的性能，主要內(nèi)容見表1。

表1 定期監(jiān)測內(nèi)容

3.2 實時監(jiān)測

在公路橋梁實時監(jiān)測中，主要對2個方面進行監(jiān)測，如工作環(huán)境與運營狀況。具體內(nèi)容見表2。

表2 實時監(jiān)測內(nèi)容

4 工程案例分析

某橋梁工程總長度為670 m，30 m為主跨長度，其他跨均為20 m，本橋為簡支型預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，選用柱式墩作為橋梁下部結(jié)構(gòu)，蓋梁上采用板式型橡膠。此橋交通量較大，因重載型車輛較多，行駛過程中出現(xiàn)局部空心板斷裂現(xiàn)象，進而影響交通通暢性，出現(xiàn)中斷情況，后經(jīng)及時搶修，快速恢復(fù)通車。但通車運營之后，幾個月就有大量縱向裂縫出現(xiàn)于主跨橋面位置，且橋面變形嚴重。為此，決定限制本橋通行，并對其實施健康監(jiān)測。此監(jiān)測過程主要選用的監(jiān)測方法為動態(tài)法測試與承載力計算分析，通過橋梁模態(tài)參數(shù)，可準確地將橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況、整體指標反映出來。

4.1 監(jiān)測項目

阻尼比、自振頻率、振型等都是橋梁結(jié)構(gòu)所具備的動力特征，可利用有限元程序進行空心板梁結(jié)構(gòu)所具備的動力特性。首先，在脈動荷載作用下，監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，并對空心板現(xiàn)有剛度、強度進行監(jiān)測；其次，評估空心板結(jié)構(gòu)，對其工作性能進行監(jiān)測，以此將準確、真實的參數(shù)提供于加固、改建工程的監(jiān)測應(yīng)用。

4.2 監(jiān)測步驟

第一，通過有限元程序，對空心板梁結(jié)構(gòu)自身的動力特性進行分析、掌握。

第二，在監(jiān)測過程中，實時監(jiān)測空心板梁結(jié)構(gòu)的動力性能。

第三，對空心板結(jié)構(gòu)的工作性能進行客觀評價。

4.3 監(jiān)測儀器設(shè)備

橋梁監(jiān)測選用動測法時，選取的設(shè)備系統(tǒng)具有采集、分析、放大動態(tài)數(shù)據(jù)等功能，一般情況下，此系統(tǒng)需與拾振器配合使用。

4.4 布設(shè)監(jiān)測點

根據(jù)工程實際情況，可將拾振器布設(shè)到公路橋梁頂面，監(jiān)測內(nèi)容主要有橋梁結(jié)構(gòu)振動參數(shù)，同時還應(yīng)將界面實際位移、加速度曲線等繪制出來。

4.5 監(jiān)測方法

通過實時監(jiān)測公路橋梁結(jié)構(gòu)，可及時掌握其動力特性，并科學(xué)分析、判斷橋梁的承載力、運營情況。同時，在測試橋梁動力特性，固有頻率是其主要測試內(nèi)容，在測量第一階段自振頻率之后，可對比早期檢測的理論計算頻率，以此對公路橋梁的具體技術(shù)情況進行判斷。

4.6 監(jiān)測頻率的計算結(jié)果

簡支型空心板橋為此橋結(jié)構(gòu)形式，在監(jiān)測橋梁健康狀況時，邊界條件可選取3種彈簧實施模擬，且按照板式橡膠支座的特征，獲取豎向彈簧剛度，其值為K1=1.7×106kN/m，水平向彈簧剛度，取值K3=5000 kN/m。在橋面連續(xù)部位，水平向彈簧剛度K2取值無限制。通過計算可得，3.709 Hz為一階頻率。

4.7 對比監(jiān)測頻率識別結(jié)果與計算結(jié)果

通過實際監(jiān)測可見，其結(jié)果為3.369 Hz，以此可通過fml/fdl=3.369/3.709=0.9（fml為自振頻率；fdl為理論計算頻率），為此，可得出此橋梁為第四類橋，狀態(tài)較差。

4.8 監(jiān)測結(jié)果

（1）橋梁剛度減小，則說明在橋梁運營過程中，因超載車輛較多，空心板裂縫問題過于嚴重，導(dǎo)致橋梁截面有效高度有所下降。

（2）監(jiān)測橋梁承載力及變形情況時，在橋梁單板受力影響下，當(dāng)前空心板承載力與其承受的能力有所不符，如超載問題嚴重，極易出現(xiàn)空心板斷裂現(xiàn)象或坍塌。同時還能監(jiān)測橋梁動態(tài)狀況，按照我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可對此橋承載力的安全性能進行科學(xué)評定，因橋梁空心板剛度降低程度過大，按照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，確定該橋技術(shù)狀況為第四類，狀態(tài)并不理想，必須采取科學(xué)有效的措施進行加固改建處理。

5 結(jié)語

綜上所述，作為道路體系的主要構(gòu)成部分，橋梁也是現(xiàn)代交通工程的關(guān)鍵性樞紐，在交通運輸事業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。伴隨使用年限的不斷增加，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及使用性能都會發(fā)生改變，為保證橋梁運營安全，增加其使用壽命，必須建立及完善橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可以為橋梁后期養(yǎng)護維修、管理提供科學(xué)依據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，避免事故發(fā)生，提高橋梁工程通行的安全性。