某大桥运营阶段长期健康在线监测实施方案

李革新

1 长期健康监测的意义和目的

大跨度系杆拱桥发生在长期的营运过程中，受到系杆预应力松弛、车辆荷载、台风、外界天气温度(季节温度和局部温度)变化、水流冲刷、船舶撞击等众多因素的影响。在长期恒载和活载的作用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，某大桥是采用钢性吊杆结构建设的桥梁，跨度大，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营运和正常使用寿命。为了及时了解该大桥主桥在营运期间结构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，必须对桥梁的应力(应变)、系杆索力等状态变量进行长期的定期观测，为结构的健康状态评估、养护与管理工作提供依据。

2 健康监测内容及方案

2.1 主要监测内容

1)全桥主梁线形及变形的自动化监测;2)主桥拱肋、主桥桥墩的变形沉降人工观测;3)主桥吊杆索力部分自动化监测，结合定期人工观测;4)主桥系杆中部分索力自动化监测;5)主桥拱肋、主梁等结构的控制截面应变自动化监测;6)主桥控制截面环境温度的自动化监控。

2.2 测试方法

2.2.1 全桥主梁线形及变形的自动化监测

桥梁主要截面的挠度是评价桥梁质量及运行状态的重要指标之一，因此，无论是荷载试验还是健康状态监测，桥梁主要截面的挠度均是必须检测的内容。通常挠度测量目前有如下几种方法:1)百分表;2)精密水准仪;3)GPS卫星定位系统;4)连通液位计。对于大跨径桥梁，其单孔跨径在数百米内，挠度变化要实现24 h全天候的自动化监测，最佳的方式就是连通液位计的形式。该方法原理就是在参考点和待测点布上传感器，用液管将它们连接起来，并加入液体，这样当待测点相对于参考点产生挠度变形时，其液面会发生改变，传感器监测这一变化，从而达到测量挠度的目的。

2.2.2 主桥拱肋、主桥桥墩的变形沉降人工观测

1)变形监测控制网的建立。为了实现长期监控至少要在桥头附近设置4个永久控制点，以建立变形监测控制网，要求永久控制点稳定可靠、变形极小(通常要打桩至基岩)，同时为了引测方便，要求永久控制点与测点之间能通视，变形监测控制点位置需根据工程实际情况来确定。

2)变形监测。大桥的变形监测包括:主桥拱肋线形，引桥线形及变形和主桥桥墩位移、沉降测量等内容，通过变形监测网对主桥拱肋、引桥线形及变形进行监测，监测各测点的空间坐标和标高变化情况。中承式拱桥的拱肋线形是变形观测的主要内容，在两个主拱肋的拱脚、L/4、拱顶五个控制截面处共安装10个圆棱镜，在边拱L/2共安装4个圆棱镜，以观测拱圈线形变化和主桥桥墩的位移、沉降情况，线形测量采用日本进口TOPCON精密电子水准仪及徕卡全站仪。测点布置如图1所示。

图1 拱肋及桥墩变形测点布置图

3)吊杆索力测试。采用弦振法原理测试吊杆索力。通过环境随机激励，采集吊索的振动加速度，经过滤波、放大、FFT分析，得到频谱图，根据频谱图得到吊索弦振的各阶频率，根据频率和索力的对应关系得到索力值。索力测量时，要注意测量到的频率阶次高低对索力测量值的影响，索力换算时尽量采用低阶频率，否则，需作相应的修正。吊杆频率测量采用单通道专用索力动测仪JMM-268-1测量。有2根短吊杆已埋设300 t压力传感器，可通过振弦自动采集系统24 h连续监测吊杆索力。通过系统监控软件，桥梁管理者可了解营运过程中吊杆索力的变化情况。

4)系杆张拉力测试。采用ZX-308T三弦智能型穿心力传感器测量部分系杆张拉力，按对称性共布置了16个20T级穿心式压力传感器。通过振弦自动采集系统，可24 h连续监控，营运过程中桥梁部分系杆张拉力的变化情况。通过系统监控软件，桥梁管理者可了解营运过程中吊杆索力的变化情况。

5)控制截面应变测试。采用振弦式应变计测量结构中控制截面的应变。采用施工监控时已预埋的稳定性好、高精度的振弦式应变计，作长期观测的测试元件。在施工监控中，已对应变计的测试电缆和线头进行必要的保护。通过振弦自动采集系统，可24 h连续监控营运过程中桥梁各关键截面应力的变化情况。通过系统监控软件，桥梁管理者可了解营运过程中吊杆索力的变化情况。钢箱弦式应变计主要沿纵向布置，主梁钢横梁应变计主要沿横向布置，各控制截面应变计的布置如图2所示(按对称性仅画一半)。

图2 控制截面应变测点布置图

6)温度场量测。由于结构温度变化对主梁线形、主拱肋线形、控制截面应力影响较大，因此同步测量结构温度场非常重要。

吊索温度测试选用JMT-36A型记忆智能温度传感器，采用振弦自动采集系统，24 h连续测试温度变化。在测温吊索段内预埋温度传感器，以测量其内部的温度场分布，把它放在桥址处模拟吊索内高强钢丝的温度。

在主拱肋的控制截面布置温度传感器，测量温度场分布情况。

通过振弦自动采集系统，连续监控营运过程中各关键截面温度场的分布情况，温度传感器已在施工监控中埋设。

3 系统布置

本系统由监控主机，弦式自动数据采集模块、总线形接口模块，弦式传感器、静力水准仪以及相应的监控软件组成。其中锚索计、应变计、温度传感器接入弦式自动数据采集模块，静力水准仪接入总线形接口模块，这些采集模块通过RS485标准总线，与主机相连接。主机中安装监控软件对各个采集模块进行控制、数据采集及数据分析，为桥梁管理者提供第一手数据。系统布置如图3所示。

图3 系统布置示意图

4 弦式自动采集系统布置

弦式自动采集系统包括多点弦式采集单元、测试元件、电源防雷、信号防雷、密封箱等组成部分。为了尽量提高测试效率，同时节约经费，本监测系统将配备32点弦式采集单元4台(ZR-32)，16点弦式采集单元2台(ZR-16)，共设置密封箱6个，分别布置在主桥钢箱梁检查孔处。同时大部分测试元件均可利用施工监控过程中埋置的应变计、温度传感器、力传感器等元件，可节约大量的经费投入。

该弦式采集系统能监测拱肋及主梁各关键截面的应变、温度场分布、系杆张拉力、吊索索力等业主关系的结构参数，可以从整体上把握桥梁的健康状况，可及时掌握桥梁在营运阶段结构状态的变化。

桥梁挠度测试系统包括总线读数仪一台、静力水准仪13台、导线及相关安装附件，其密封箱可与弦式自动采集系统共用。分别布置在主梁内，可连续监测桥的主梁挠度变形。

5 结语

通过对运营阶段长期健康在线检测实施方案的研究，能为该桥积累重要的原始数据，为分析桥梁的结构健康状态，评估结构的可靠性，为桥梁的管理和维护提供科学依据。

［1］ 潘 理.桥梁检测技术研究［J］.山西建筑，2010，36(8):322-323.