大跨度桥梁建立监测体系的研究

【摘 要】为了及时了解大跨度混凝土桥梁在运营期内是否处于正常使用状态，保证桥梁结构的安全和正常功能的实现，必须设置桥梁健康监测系统，对运营期大跨度桥梁进行全面的健康监测。同时通过该监测系统验证基于我国桥涵规范的计算模式的正确性。

【关键词】大跨度混凝土桥；运营期，是正常使用状态；桥梁健康监测

大跨度桥梁在长期运营过程中，受到混凝土的收缩徐变、拉索钢丝的松弛、车辆荷载、外界天气温度（季节温度和局部温度）变化等各种内外因的影响下，桥梁结构受力状态处于不停的变化中，桥梁的强度和刚度会随时间而有所下降，桥梁的线形和内力状态会发生一定的变化。大跨度桥梁结构体系敏感性强，结构状态一些较小的变化都有可能导致受力情况发生较大的改变，甚至会影响桥梁的安全运营和正常使用寿命。尤其是混凝土桥梁在开通运营初期，混凝土收缩徐变尚未全面完成，在运营初期的三年乃至五年内，混凝土收缩徐变现象明显，桥梁的线形和内力状态和成桥状态相差很大，再加上近20年来桥梁抗风、抗震领域的成就以及新材料新工艺的开发推动了大跨度桥梁的发展；同时，随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性和正常使用功能的日益关注，为了及时了解大跨度混凝土桥梁在运营期内是否处于正常使用状态，保证桥梁结构的安全和正常功能的实现，必须对运营期大跨度桥梁进行全面的健康监测，设置桥梁健康监测系统。

桥梁健康监测系统的核心功能即是通过对桥梁结构状态的检测与监控，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，完善的桥梁健康监测系统应及时准确的反馈桥梁的状况是：

（1）桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学性能，包括各种荷载下的内力（应力）、变形、固有频率、模态、混凝土的碳化、钢筋的锈蚀等。

（2）桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如振动控制元件：减震器）的工作状态。

（3）大桥所处环境条件等。

桥梁检测工作是进行桥梁健康监测和评估管理的基础。桥梁检测技术分为局部检测和整体检测两大类。局部检测以各部分的局部状态为检测内容，通过对结构的局部部位进行集中检测，实现对结构缺损部位的精确定位、检查，甚至是定量分析，主要依赖经验目测以及成熟的无损检测技术；而后者则试图对整个结构进行结构反应信息的有效采集以及系统的处理来建立对整个结构状况的了解，其中包括结构目前的刚度、质量分布情况、结构的动力特性等等。对桥梁振动模态、挠度、斜拉桥拉索索力等进行测量分析是整体性能检测的主要手段。两种检测方法相辅相成。对结构整体安全状态的监测可用于指导对局部缺损损伤的识别和定位，从而提高检测工作的效率，对结构的局部检测是对整体检测必不可少的补充。最近发展起来的包含多项检测内容、能对桥梁状态进行实时检测，并集成了远程通信与控制的检测系统称为安全监测或健康监测系统，它对桥梁的运营状态的分析显然能起更积极的作用。

结构的局部缺损检测技术主要有目检法、压痕法、回弹法、染色法、超声脉冲法、回弹一超声综合法、振动弹性系数与对数衰减率法、红外线法、射线法、光线传感法、同位素法、电阻率法、自然电位法、泄漏测定法、磁粒子法、磁场扰动法、模式识别法等等。这些检测手段可以对桥梁的外观以及某些物理及力学性能进行监测。检测的结果通常也能在一定程度上反映该部位当前的缺损状况，但是却难以掌握桥梁整体的健康状况，尤其是难以对桥梁的安全储备以及退化的机理作出系统的评估。

桥梁整体检测得到线形、索力、自振特性等数据，结合相应的计算分析，可初步确定桥梁结构中出现局部缺陷的位置及严重程度，克服人工检测的低效性。而且由于大型桥梁结构日趋复杂，对于某些人工检测难以达到的部位的缺陷，需要通过计算分析得到解决。

到目前为止，国内外建成的桥梁健康监测系统主要应用于悬索桥和斜拉桥，经过长时间的检测分析，人们发现营运多年后斜拉桥的许多性能参数都将偏离设计目标，其原因有以下几种：

（1）桥梁因某种需要后期荷载增加而导致索力和主梁线形的变化。

（2）钢拉索松弛的影响。

（3）混凝土收缩徐变的影响。收缩徐变是时间效应的函数，在一个相当长的时间内，徐变变形一直在增长。据国内某座斜拉桥的一些记录表明，在施工时存在着15天节段安装的时间差，后期索力比前期增长了3%左右。对于营运多年的斜拉桥徐变的影响将更为重要。

（4）年温差和局部温差的影响。对斜拉桥这种多次超静定结构，年温差的影响是显著的；梁顶面和底面的温差、箱梁体内的温差。索与梁温差、索塔单侧日照等局部温差，其影响复杂。

由上可知，运营期斜拉桥受力状态是十分复杂的，通过桥梁健康监测系统得到的数据必须结合相应的计算分析才一能了解桥梁的实际工作状态。此外，桥梁健康监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息，并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题。桥梁健康监测应用前景和发展空间是十分广大的。

现代混凝土斜拉桥属高次超静定结构，设计和施工的难度都较大，桥梁的受力也很复杂。桥梁在运营期间，混凝土的收缩徐变则会导致结构各部件内力的重分配，使桥梁的受力更趋复杂。为了保证桥梁结构的安全以及为桥梁的健康监测评估提供可靠的理论分析结果，本文以某公路大桥通航孔500m斜拉桥为工程背景，重点分析和研究混凝土收缩徐对运营期大跨度预应力混凝土梁斜拉桥的影响。并与长期的桥梁健康监测结果进行对比，证于我国桥涵规范的收缩徐变计算模式的正确性，可以推广这种计算模式在桥梁健康监测中的应用。

1 该桥简介

此公路大桥位于某长江中游河段，是连接207国道的特大型公路斜拉桥，全长4177.6米，由9个桥段组成。其中通航孔桥为一座双塔双索面漂浮体系预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为200m+500m+200m。设计荷载：汽―超20，挂―120：桥面总宽为27.0m，行车道净宽21.50m，双向四车道，不设人行道。

梁：基本断面形式是开口的双主肋板式截面（即“Π”形断面）；梁高2.4m，梁顶宽26.5m，梁底宽27.0m，主肋宽1.8m，顶板厚0.32m，高跨比为1：208.3，宽跨比为1：18.51主梁材料采用60号高强混凝土。

索塔采用H形索塔。

斜拉索主塔两侧各布31对索，此外还有两对0号索，全桥共布置126对斜拉索。斜拉索采用PES7热挤聚乙烯拉索PESM7冷铸墩头锚锚固体系。拉索最小间距为4m，标准间距为8m，塔下第一对斜拉索与直索间距为11.5m。

2 计算理论值与桥梁健康监测实测值的对比分析

通过对大桥进行了长期的健康监测工作，对大桥的应力（应变）、位移和索力等状态变量进行长期的定期观测，获得了许多宝贵的数据。大跨度混凝土斜拉桥的收缩徐变变形分析是该类桥进行运营期健康监测与状态评估等工作必须考虑的重要因素，其收缩徐变计算中的计算模型和收缩徐变参数取值是桥梁结构分析理论中研究的重点之一。本文利用此大桥的健康监测数据对大跨度混凝土斜拉桥的收缩徐变变形计算中的数学模型与收缩徐变参数进行了实桥的验证与对比分析。

3 斜拉桥健康监测中静力变形监测数据的采集与处理方法

对该桥的健康监测内容包括标高、位移、塔偏、索力、塔梁应变、主梁裂缝等多方面的检测，由于混凝土收缩徐变对主梁位形的影响显著，本文重点介绍静力变形监测中的主梁挠度的监测方法。

该桥主梁标高（挠度）的测量采用高精度的水准仪测量，并用高精度全站仪（TC2003）复测。该桥共设34个观测点。主梁标高测量的临时水准点设在主塔的永久测点上。

为了了解桥梁在最不利情况下的运营情况，桥梁健康检测较多的时候是在大气温度最高和最低的时候进行，而桥梁设计结果一般是由均匀恒定的温度场（20℃）得到，所以将桥梁健康监测结果和设计状态对比时，必须对桥梁健康监测结果进行温度修正。在测量主梁标高时，必须要密切注意外界温度变化对测量结果的影响，同时测量结构的温度场，及时修正有关数据。

桥梁工程中计算温度效应时，一般把温度场转化为单元的轴向应变ε0和曲率X，以它们作为温度参数，以非结点荷载形式代入程序中去计算温度对桥梁结构的影响。

通过对桥梁健康监测结果进行对比，验证基于我国桥涵规范的收缩徐变计算模式的正确性，得出结论如下：

（1）利用计算法建立某公路大桥北通航孔500m斜拉桥计算模型，考虑了施工中各种复杂的因素对桥梁结构受力和位形的影响，实现了对桥梁实际成桥状况的有效模拟，建立了准确的运营期混凝土斜拉桥收缩徐变效应分析的模型，并按照桥涵设计规范中的收缩徐变数学模型计算得到运营期混凝土斜拉桥收缩徐变影响的理论值。

（2）将该桥的健康监测数据与按照桥涵设计规范计算得到的理论数据进行对比分析，验证了规范中收缩徐变的数学模型可以用于实际混凝土结构尤其是大跨度混凝土斜拉桥的计算分析中。