文/圖 中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司 慕玉坤

橋梁結構安全和長期性能監(jiān)測作為橋梁全壽命周期過程中的一項重要養(yǎng)護工作，涉及環(huán)境風險管控、結構病害監(jiān)測、結構性能演變和結構行為預測等各個方面?，F(xiàn)有的規(guī)范標準對橋梁檢查評定、安全保護區(qū)管理、超限車輛管理和災害防治等方面均有明確的管理技術要求，一定程度上保障了橋梁的安全運行，但由于橋梁復雜多樣的結構和運營環(huán)境，要想實現(xiàn)對橋梁結構安全和長期性能實時監(jiān)測和精準判斷，合理設計監(jiān)測參數(shù)十分必要。完成監(jiān)測參數(shù)的合理化設計后，再充分利用現(xiàn)有的傳感、影像和數(shù)據(jù)挖掘分析等技術，以多層級監(jiān)測平臺為基礎，結合傳統(tǒng)的檢測、評估等管理手段，可為解決現(xiàn)有橋梁結構安全與長期性能監(jiān)測提供新的解決方案。

監(jiān)測參數(shù)設計的重要性

橋梁健康監(jiān)測參數(shù)設計是在綜合考慮橋梁結構安全和長期性能的影響因素后，根據(jù)橋梁自身結構特點和運營環(huán)境的差異，以監(jiān)測需求為導向確定監(jiān)測參數(shù)，并以監(jiān)測參數(shù)為核心獲取必要的監(jiān)測信息，再通過合理選擇監(jiān)測、評估方法，實現(xiàn)對橋梁健康狀況的全面掌握。

斜拉橋監(jiān)測

監(jiān)測信息是對橋梁結構行為、環(huán)境特征的具象化和數(shù)字化表達，理論上來說，信息越全面，表達越充分。但在實際工作中，受經(jīng)濟條件和監(jiān)測手段等因素的制約，所獲的監(jiān)測信息往往以片面化、碎片化的形式呈現(xiàn)，因此，只有合理設計監(jiān)測參數(shù)才能確保在成本可控的前提下獲取更加全面的數(shù)據(jù)信息。通過設計監(jiān)測參數(shù)，可以快速甄別出實時性要求高的數(shù)據(jù)，并開展必要的自動化監(jiān)測，使之成為傳統(tǒng)檢測信息的有益補充，進一步為養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)支撐。

在設計監(jiān)測方案時，只有通過設計合理的監(jiān)測參數(shù)，才能充分發(fā)揮傳統(tǒng)檢測、監(jiān)測和自動化監(jiān)測各自的優(yōu)勢，使之成為解決信息量和獲取成本之間矛盾的有效手段及現(xiàn)有規(guī)范體系下全面掌握橋梁結構健康狀況的有效途徑。因此，監(jiān)測參數(shù)設計是解決一攬子結構健康監(jiān)測方案的前提，是開展后續(xù)評估工作的基礎。

監(jiān)測參數(shù)的科學合理化設計

設計橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)時，應首先根據(jù)橋型結構特點和運營環(huán)境因素，分析橋梁結構存在的主要安全風險，結合管理、養(yǎng)護和科研等方面的需求，科學制定監(jiān)測目標和監(jiān)測內(nèi)容，并在此基礎上開展相應的監(jiān)測參數(shù)設計工作。監(jiān)測參數(shù)設計一般應遵循“目標明確、內(nèi)容合理、參數(shù)適宜、測點科學、方法可靠”的總體原則。

監(jiān)測目標

受橋梁服役年限、技術狀況和環(huán)境條件等因素影響，不同橋梁所面臨的實際管養(yǎng)需求不盡相同，監(jiān)測目標也有所差異。通常來說，大部分橋梁的主要需求包含構件受力安全、突發(fā)事件感知、長期性能跟蹤預測三個方面，監(jiān)測目標的制定和細化一般應與橋梁的實際監(jiān)測需求相一致。

監(jiān)測內(nèi)容

通過甄別易損構件損傷模式和不利環(huán)境因素明確監(jiān)測內(nèi)容，常規(guī)結構橋梁通常以監(jiān)測結構受力和裂縫等損傷為主，斜拉橋等復雜結構橋梁以監(jiān)測結構變形和易損構件受力為主，交通荷載、風荷載、撞擊荷載和地質災害等環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容，通常根據(jù)橋梁本身對各外部環(huán)境的敏感性研究確定。

參數(shù)設計

確定監(jiān)測內(nèi)容后，往往會專門展開監(jiān)測參數(shù)設計工作。合理設計監(jiān)測參數(shù)是實現(xiàn)監(jiān)測目標的基本前提，監(jiān)測參數(shù)設計主要包括參數(shù)選擇和測點設計兩方面內(nèi)容。選擇適宜的監(jiān)測參數(shù)是實現(xiàn)監(jiān)測目標的基本前提，合理的監(jiān)測參數(shù)選擇往往能起到事半功倍的效果，是監(jiān)測結果實用、可靠的重要保障；合理的測點設計能夠在滿足監(jiān)測需求的前提下有效控制監(jiān)測成本。

監(jiān)測參數(shù)選擇時，首先，應根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容選擇對結構損傷或環(huán)境變化等因素較為敏感的參數(shù)，避免部分力學性能參數(shù)由于對結構損傷或環(huán)境變化的敏感性較差，易受溫度、通行車輛等外部因素干擾，無法實現(xiàn)多耦合因素作用下的數(shù)據(jù)分離，導致在后期的數(shù)據(jù)分析處理和損傷研判過程中，難以給出明確的損傷判定結論；其次，應考慮后期的數(shù)據(jù)處理和分析需求，盡量選擇有相可靠評估方法或評估模型的監(jiān)測參數(shù)。

在監(jiān)測測點設計時，應根據(jù)監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測方法的實際需要，盡量選擇在損傷變化幅度較大、作用效應幅值變化較大的點位上設置測點，盡可能降低環(huán)境干擾，提高監(jiān)測結果可靠性和利用效率。通常在測點布設前，應建立橋梁有限元模型，通過仿真分析，確定最優(yōu)測點位置和測點數(shù)量；為減小溫度變化等因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應用的影響，宜在結構橫向對稱位置分別布設測點。

參數(shù)設計作為監(jiān)測方案的重要環(huán)節(jié)，在參數(shù)選擇和測點設計中，應結合可用的監(jiān)測方法和監(jiān)測設備等，統(tǒng)籌考量各方面的相互制約和影響，開展一體化設計并尋求最優(yōu)解決方案。

不同橋型的監(jiān)測參數(shù)選擇

由于不同橋型的構造特點和受力特性不同，因此在選擇監(jiān)測參數(shù)時，應充分考慮橋梁實際運營過程中的易損構件和安全誘因等因素。針對部分橋梁結構的常見問題，本文給出相應的監(jiān)測參數(shù)選擇建議。

斜拉橋常用自動化監(jiān)測參數(shù)和測點布設

不同橋型的常用監(jiān)測參數(shù)

裝配式空心板梁橋

該類橋梁最易出現(xiàn)單板受力病害，嚴重時會直接影響到橋梁的運營安全，若發(fā)現(xiàn)鉸縫存在滲漏水等病害時，在病害根治前可通過監(jiān)測滲漏水鉸縫兩側相鄰梁板的相對位移情況，對梁板進行監(jiān)測。

帶掛孔的懸臂梁橋

該類橋梁牛腿部位容易開裂，并誘發(fā)橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕和承載力下降，進而影響橋梁結構安全，可通過監(jiān)測牛腿開裂情況和對應位置伸縮縫相對高差，對牛腿進行監(jiān)測。

無縱梁的中下承式拱橋

此類橋梁長期運營后，最突出的問題是因短吊桿的腐蝕斷裂而導致橋梁垮塌，可通過監(jiān)測吊桿長度變化情況或鋼絲斷裂等突發(fā)情況，來掌握吊桿的內(nèi)部損傷變化情況。

肋式組合拱橋

對于雙曲拱、桁架拱等肋式組合拱橋來說，橫向聯(lián)系薄弱和整體性差的問題較為突出，可通過監(jiān)測拱肋間的相對位移對結構整體性及荷載橫向分布能力進行研判。

斜拉懸索等復雜結構橋梁

該類橋梁宜通過監(jiān)測塔梁空間絕對變位和索、纜內(nèi)力變化情況來掌握橋梁的整體力學性能，評估其結構是否安全。

其他類型橋梁

對風環(huán)境敏感的橋梁應通過監(jiān)測風向、風速和風場變化情況，以及橋梁結構在風荷載作用下的動力響應情況，對結構抗風性能進行評價；腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結構橋梁可通過監(jiān)測內(nèi)部鋼筋銹蝕情況對結構耐久性進行分析評價；凍土地區(qū)的橋梁可通過監(jiān)測地基溫度變化和橋梁豎向絕對位移來評價凍土性狀變化對橋梁結構安全的影響；橋區(qū)附近的高坡、陡坎等與橋梁存在潛在相互作用時，可通過監(jiān)測地表絕對位移及墩柱傾斜度，監(jiān)測橋梁結構安全情況。

監(jiān)測方法的選擇

在監(jiān)測方法選擇上，綜合考慮橋址附近現(xiàn)場條件、經(jīng)濟條件、量測精度和監(jiān)測頻率等多方面因素，并根據(jù)實際需要在人工目測、尺量、儀器測量或自動化量測、智能感知中擇優(yōu)選擇經(jīng)濟、適用、可靠的監(jiān)測方法。通常來說，監(jiān)測方法的選擇應遵循三項原則：第一，當結構損傷或環(huán)境變化相對穩(wěn)定或變化緩慢，以及對監(jiān)測頻率要求相對較低時，可選擇人工輔以必要量測設備的定期監(jiān)測方式；第二，當結構損傷或環(huán)境變化速率較快時，宜采用自動化監(jiān)測方式；開展動力響應方面的監(jiān)測時，由于對監(jiān)測頻率要求較高，應采用自動化監(jiān)測方式。

采用人工定期監(jiān)測方式時，通常需要定期對橋梁結構的損傷變化情況、變位情況、內(nèi)力變化情況和周邊環(huán)境變化情況進行監(jiān)測。其中，結構損傷和周邊環(huán)境變化可以通過目測、設備量測等手段獲取相關信息；結構變位可通過建立測量控制網(wǎng)，通過人工定期量測的方式獲取相關信息；內(nèi)力變化情況可通過相應的傳感器和配套采集儀表等定期獲取相關信息。此外，為保證量測數(shù)據(jù)準確可靠，測量用的水準儀、全站儀、傳感器和相應儀表等應定期進行檢定、校準，測量控制網(wǎng)應定期進行復核測量。

環(huán)巢湖大橋 曹澤龍 攝

當采用自動化監(jiān)測方式時，應根據(jù)環(huán)境特點和管理需要明確自動化監(jiān)測傳感設備、數(shù)據(jù)傳輸方式和供配電方案等。在傳感設備選擇上，應保證傳感器量程、分辨率、精度、靈敏度、動態(tài)頻響特性、穩(wěn)定性、可靠性和環(huán)境適應性等滿足測試需求；在數(shù)據(jù)傳輸方式上，應保證數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和穩(wěn)定性；在供配電方面，可根據(jù)現(xiàn)場條件在電力供電、太陽能供電、風能供電和電池供電等方面擇優(yōu)選擇經(jīng)濟、適用的供電方案。此外，自動化監(jiān)測所用的儀器設備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡及相應的監(jiān)測軟件等應具有良好的可靠性、開放性、適用性和可擴展性。

短吊桿索長監(jiān)測與實測數(shù)據(jù)在重車數(shù)量統(tǒng)計上的應用

總之，橋梁結構健康監(jiān)測是橋梁全壽命周期過程中通過人工量測和自動化感知手段，獲取結構安全和長期性能等方面關鍵信息的一項重要養(yǎng)護工作，系統(tǒng)化的監(jiān)測方案設計是確保監(jiān)測質量的前提和基礎。在監(jiān)測方案設計過程中，應充分考慮傳統(tǒng)檢測與自動化監(jiān)測的有效結合，在人工檢測和監(jiān)測成果數(shù)字化、監(jiān)測信息整合、評估方法研究和數(shù)據(jù)挖掘利用等方面下功夫，為橋梁健康監(jiān)測工作的廣泛開展提供相應的技術支撐；應充分考慮到不同橋梁服役年限、技術狀況和所處環(huán)境的差異，在設計中做到“因橋制宜、因地制宜、因時制宜”。