中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)公路橋梁建設(shè)取得了令人矚目的巨大成就。但是由于外界環(huán)境等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)損傷積累和抗力衰減。如何及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握橋梁的健康狀況，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的作用是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，分析評(píng)估橋梁的使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策提供科學(xué)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞 橋梁；健康監(jiān)測(cè)；傳感器；應(yīng)用
當(dāng)前，我國(guó)公路橋梁數(shù)量已達(dá)到世界前列，在取得公路橋梁建設(shè)輝煌成績(jī)的同時(shí)，由于橋梁形式各異，結(jié)構(gòu)不一，服役時(shí)間不同，給橋梁養(yǎng)護(hù)帶來(lái)很大難度。加快橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，隨時(shí)掌握橋梁技術(shù)狀況，能夠有效保障橋梁的使用安全。
1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
1.1 結(jié)構(gòu)體系
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)、安全評(píng)估系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)組成。
根據(jù)每座橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析結(jié)構(gòu)受力特性、傳力途徑、薄弱環(huán)節(jié)、重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位和關(guān)鍵控制點(diǎn)等。按照測(cè)點(diǎn)的分布區(qū)域進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)置。
1.2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
1）獲取結(jié)構(gòu)特征信息，實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。2）監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能和關(guān)鍵部位的局部損傷，為結(jié)構(gòu)維修提供依據(jù)。
3）評(píng)價(jià)橋梁承受動(dòng)、靜載的能力和結(jié)構(gòu)可靠性，為運(yùn)營(yíng)決策和管理提供依據(jù)。
4）驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論與方法，為修正類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)理論與方法和修訂規(guī)范提供依據(jù)。
2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)包括監(jiān)測(cè)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布設(shè)的確定，傳感器及其通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)等。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定期檢測(cè)兩大項(xiàng)工作內(nèi)容。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。橋梁工作環(huán)境監(jiān)測(cè)包括：環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)速、日照等。橋梁運(yùn)營(yíng)情況的監(jiān)測(cè)包括：通行車(chē)輛車(chē)型、車(chē)輛荷載，行車(chē)速度等。橋梁結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測(cè)包括：梁（拱）端部的位移（縱橋向與橫橋向）、梁（拱）跨中豎向位移（撓度），橋梁結(jié)構(gòu)各類(lèi)受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)等，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。
在對(duì)橋梁多種物理、力學(xué)量進(jìn)行實(shí)時(shí)、定期監(jiān)測(cè)時(shí)，綜合考慮橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)揮二者不同場(chǎng)合中的優(yōu)點(diǎn)，能夠真正做到健康監(jiān)測(cè)服務(wù)于橋梁的養(yǎng)護(hù)管理。
3 應(yīng)用實(shí)例
某公鐵立交橋橋是上跨京廣鐵路的一座重要橋梁，1997年建成通車(chē)，全長(zhǎng)670 m，主跨30 m，其他各跨20 m，為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，蓋梁上設(shè)板式橡膠制作。2007年4月，一輛二百多噸的重載車(chē)輛夜間通行時(shí)，造成該橋主跨相接的兩跨個(gè)別空心板斷裂，交通中斷。隨后公路部門(mén)迅速搶修，恢復(fù)通車(chē)。然而幾個(gè)月后，2007年12月該橋主跨橋面又出現(xiàn)了數(shù)條縱向裂縫，橋面向下?lián)锨冃蚊黠@，在兩端的支座處，也出現(xiàn)明顯的橫橋向裂縫；而且板縫間混凝土脫落，造成整橋橋間橫向連接不足，形成單板受力，進(jìn)而破壞了橋面鋪裝層，板縫間滲水嚴(yán)重，板底有白色析出物，堿化現(xiàn)象明顯。
公路部門(mén)在對(duì)該橋限制通行的同時(shí)，對(duì)該橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和承載能力檢測(cè)。主要依靠動(dòng)態(tài)法測(cè)試和承載力計(jì)算分析方法進(jìn)行，通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)來(lái)反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀況及整體性指標(biāo)。
3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
1）利用有限元程序分析空心板梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（自振頻率、阻尼比、振型等）。2）測(cè)定脈動(dòng)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（自振頻率、阻尼比、振型等），以檢驗(yàn)空心板的現(xiàn)有強(qiáng)度和剛度。3）評(píng)估空心板結(jié)構(gòu)實(shí)際達(dá)到的工作性能，為后續(xù)的加固和改建決策提供科學(xué)
依據(jù)。
3.2 實(shí)施步驟
1）借助有限元程序分析空心板梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)空心板梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，包括控制截面（跨中及1/4跨）的振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)。3）對(duì)空心板結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。
3.3 主要儀器設(shè)備
動(dòng)測(cè)法所用主要設(shè)備是一套動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、放大和分析系統(tǒng)，配合拾振器工作。
3.4 測(cè)點(diǎn)布置
主要通過(guò)在橋梁頂面布設(shè)拾振器，主要包括：跨中、1/4跨及3/4跨截面，測(cè)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)，并繪制主要界面的位移和加速度時(shí)程曲線(xiàn)。
3.5 測(cè)定方法
通過(guò)對(duì)橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)定橋梁動(dòng)力特性，并據(jù)此對(duì)橋梁承載力狀況和運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行判斷。該橋的動(dòng)力特性試主要測(cè)試其固有頻率，通過(guò)測(cè)量第一階段自振頻率fm1，并與新建初期測(cè)得的第一階自振頻率或理論計(jì)算頻率fd1相比，從而判斷橋梁所處的技術(shù)狀態(tài)。主要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的加速度信號(hào)，測(cè)試時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別采樣，采樣頻率200 Hz。每次采集記錄時(shí)間不少于30 s，各拾振器用橡皮泥固定在結(jié)構(gòu)上。
3.6 頻率計(jì)算結(jié)果
本橋結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支空心板橋，橋面連續(xù)，邊界條件分別采用三種彈簧模擬，根據(jù)板式橡膠支座的特點(diǎn)，豎向彈簧剛度K1取1.7×106 kN/m，水平彈簧剛度K3取5 000 kN/m，橋面連續(xù)處水平彈簧港督K2取無(wú)窮大。頻率計(jì)算結(jié)果，一階頻率為3.709 Hz。
3.7 頻率識(shí)別結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析實(shí)測(cè)結(jié)果為3.369 Hz。 ，可知空心板的技術(shù)狀況處于橋梁評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的四類(lèi)橋梁，屬較差的狀態(tài)。
3.8 主要結(jié)論
1）剛度降低的結(jié)果表明：在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于超載車(chē)輛的影響，空心板已出現(xiàn)了豎向裂縫，導(dǎo)致截面有效高度降低所致。加之橋梁已出現(xiàn)了單板受力的不利現(xiàn)象，整體剛度嚴(yán)重不足，所以車(chē)輛通過(guò)時(shí)在橋上明顯感覺(jué)到強(qiáng)烈振動(dòng)。2）承載能力和變形檢算結(jié)果表明：在單板受力情況下，現(xiàn)有空心板承載能力不足，當(dāng)55噸重車(chē)超載27 ％時(shí)，即達(dá)到空心板極限承載能力。進(jìn)一步超載的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致空心板的斷裂和坍塌。3）結(jié)合承載能力和變形分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果，根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，判定該橋設(shè)計(jì)承載能力的安全度不高、空心板的剛度降低較多（大于10 ％），出現(xiàn)了嚴(yán)重的功能性病害，結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)不能達(dá)到平時(shí)交通安全通行的要求，特別是行車(chē)時(shí)震動(dòng)過(guò)大，車(chē)輛和行人有強(qiáng)烈的不安全感?；谏鲜龇治?，依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）關(guān)于橋梁技術(shù)狀況的評(píng)定原則，該橋的技術(shù)狀況評(píng)定為四類(lèi)，需進(jìn)行改建或者加固處理。
4 結(jié)束語(yǔ)
建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的橋梁受力狀態(tài)及所受荷載和工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)狀況，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)承受靜、動(dòng)態(tài)荷載的能力和結(jié)構(gòu)的安全可靠性，為橋梁的日常維護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1]黃榮,王立臨.公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定方法[J].交通世界,2010,23:172-174.
[2]楊志堅(jiān).淺談橋梁檢測(cè)與加固技術(shù)[J].硅谷,2010, 21:127-127.
[3]賈良.舊橋檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù),2010,46(8):24-25.
[4]馬鶴欣.公路橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)管理中如何有效運(yùn)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].交通世界,2010,17:237-238.
