大跨径连续刚构桥梁健康监测的关键指标及测点优化研究

【摘要】连续刚构桥由于其受力合理、跨越能力大、结构整体性能好、施工维护方便等优点在国内外得到广泛的应用。为确保该类桥梁的运营结构安全，对大跨预应力混凝土连续刚构的健康监测的研究具有十分重要的意义。在桥梁健康监测系统中，监测指标和测点是整个系统的“眼睛”。从科学经济的角度出发，桥梁健康监测系统中选取适当的指标和测点，才能达到最大费用-效益比。

【关键词】连续刚构桥 健康监测 在线评估

0引言

大型桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段。以往人们往往主要只关注设计与施工阶段，而忽略了桥梁的管理和养护。然而，桥梁在通车运营过程中，由于受到环境侵蚀、材料老化和超载以及突发性灾害等多种因素的影响，不可避免的会出现损伤，伴随着荷载的长期作用，其结构损伤不断累积、抗力不断减弱，从而导致其抵御自然灾害的能力下降，使桥梁的运行状态不能满足规定的要求，影响桥梁的正常使用。桥梁健康监测能有效消除交通安全隐患、实时获得桥梁真实承载能力，是实时获取桥梁实际工作状态的唯一方法。采用科学先进的方法对桥梁结构健康状况进行长期自动监测是非常必要和迫切的。通过建立健康监测系统，对桥梁结构进行科学的损伤检测，能够明确影响桥性能退化的主要因素，及早发现结构的早期损伤，为桥梁设计、施工及养护提供理论和实践基础，确保结构的正常使用，避免灾难性事故的发生。桥梁健康监测技术是通过对桥梁结构的关键指标和测点进行实时监测，采集其结构参数在桥梁运营过程中的变化，结合定期检查和人工检测的结果，通过对这些结构参数的分析和处理，综合评定桥梁的健康状况，为桥梁管理养护提供依据。

1健康检测指标及测点

在选择桥梁健康监测指标和测点时，首先应考虑桥梁结构的特点和各个方面对健康监测系统功能的要求，确定系统需要获取哪些信息。桥梁监测系统不仅对结构本身的状态和行为（如沉降、应力、挠度、裂缝、偏位、加速度、动力特性等）进行监测，而且还对环境条件（如风、地震、温度、车辆荷载等）记录监测和分析。其次用结合监测费用，从科学经济的角度出发，由大量可选监测项目中选取适关键指标和测点实施，达到最大费用-效益比。

2工程实例

2.1工程简介

本项目以某预应力混凝土连续刚构桥为依托工程，主桥上部为（110+2×200+110）米预应力混凝土连续刚构单箱单室箱型桥梁，上部采用悬臂法施工，下部为双柱式柔性薄臂矩形空心墩，该桥为直线桥梁。对此大桥进行健康监测，根据该桥设计图纸中的结构参数、施工中的时间顺序等相关资料，使用有限元分析软件建立了三维有限元模型，具体如图1所示。

2.2健康监测指标及测点布置

一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控：桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态；桥梁在突发事件（如强烈地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况；桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施的工作状态；大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。根据大桥的结构特点和监测系统的要求，确定该桥健康监测主要包括以下内容：

（1）基础不均匀沉降

该桥基础的不均匀沉降监测，按照二等水准要求施测，首先设立基准点，其次对监测点实施测量。监测点共计12个，布设于左幅各桥墩墩底四周。

（2）桥面平面偏位

桥面的平面偏位采用GPS（定位）及墩顶部位倾角传感器进行实时监测。首先在桥梁周围稳定的原状土层上设立监测基准（平面控制点）6个，形成监测基准网，其次在桥面（墩顶、L/4、L/2、3L/4）及墩顶部位布设监测点。研究桥梁整体偏位是否与箱梁梁体的偏位一致，以及各墩顶的不等量偏位与箱梁梁体偏位之间是否存在某种关联。

（3）主梁典型截面挠度

主跨结构的挠曲采用液体静力水准测量的方法监测，通过测量箱梁内各连通管液面的变化量计算结构的挠曲，典型截面选取每跨3断面（L/4、L/2、3L/4处）。监测采取24小时远程监控的方式，设置数据采样间隔为2小时，自动采集并存储，定期对存储数据远程采集、处理和分析。

（4）主梁典型截面应变

该桥应变计布设于主跨梁体内部顶板、底板和左、右腹板，典型截面分别为L/4、L/2、3L/4和墩顶断面。跨中及墩顶处测点测量顺桥向应力值，L/4处测点测量主应力。监测数据通过3G数据网络平台传输，实时将采集到的监测数据远程传送到指定的中央监控平台进行分析，实现桥梁远程监测。

（5）主梁裂缝

该桥合拢段共有4条裂缝，对裂缝情况进行调查记录，安装裂缝计，实时监测裂缝宽度及长度。

（6）箱梁内部温、湿度

主梁箱梁内温、湿度测点共6个测点，箱梁内部4个，箱梁外部2个，分布在2个截面上，采取24小时远程监控的方式。

（7）风场特性

由于该桥跨径达200m，风致振动对桥梁上部结构的影响较大，监测点布设于第二跨跨中部位，风场特性采用风速风向仪监测，测量瞬时风速和平均风速风向。

2.3监测结果数据分析

对大桥进行4年健康监测，并对健康监测结果进行分析。

（1）基础不均匀沉降

在整个监测期内，大桥各墩的沉降实测均值为-0.020mm至-0.005mm，未见异常沉降，且每年无明显变化。综合考虑大桥已建成十年，以及仪器精度和测试系统误差的影响，初步分析认为各墩均无明显沉降，更未出现沉降差异，对结构安全无影响。

（2）桥面平面偏位

上部结构出现非永久性的有规律的平面偏位，最大值X：-100/43mm，Y：-33/4mm。进一步对温度、温差对平面偏位的影响进行简化计算后，认为实测偏位主要是由于外界环境温度及光照导致的温差所致，非结构产生的永久性变形。该平面偏位不会对桥梁结构的安全产生不利影响。

（3）主梁典型截面挠度

中孔跨中挠度最大31.8mm，挠度实测值小于设计活载作用下的计算值，主跨无明显挠曲变形和扭转变形，不会对结构安全产生不利影响。

（4）主梁典型截面应变

各期活荷载作用下和外部环境影响下实测应变范围位于设计活荷载和温度效应产生的内力包络图内，各监测点未见现异常应变，表明结构强度满足设计要求。其中，跨中及墩顶处测点测量顺桥向应力值结果与挠度同步变化明显，L/4处测点测量主应力变化不明显。

（5）主梁裂缝

裂缝监测结果表明，主梁结构裂缝没有开展趋势。

3结语

通过对该连续刚构桥健康监测的实施，对于大跨径连续刚构桥梁健康监测的关键指标及测点得到如下结论和建议：

（1）对于建成较旧的大跨径连续刚构桥梁，沉降已趋于稳定后，基础沉降监测结果已无明显变化，可以减小监测频率。

（2）由于外界环境温度及光照导致的温差，导致桥梁上部结构产生非永久性的有规律的平面偏位，该平面偏位不会对桥梁结构的安全产生不利影响。

（3）挠度监测结果与车辆通行实际情况相符，为健康监测最重要指标。

（4）顺桥向应力值结果与挠度同步变化明显，主应力监测结果变化不明显。

（5）裂缝监测除在线监测外需加强人工定期巡检，以便确认新裂缝情况。

（6）在监测条件允许时，可对大桥实际通过车辆荷载进行测量，使挠度及应力监测结果应与实际计算结果进行比较。

（7）对于大跨径桥梁，为提前掌握、预警有效预应力严重不足引起的危害，应考虑对预应力进行监测。

（8）由于结构的动力特性代表了桥梁最重要的刚度的情况。在监测条件允许时，应对桥梁结构动力特征进行监测。

参考文献：

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