大跨径混凝土梁桥长期监测工程示例

朱卫国+严圣友

摘 要：文章基于依托工程，从监测项目、数据处理方法、评估与预警等方面对其建立长期监测系统。主要叙述了依托工程的监测项目与预警方法，可为大跨径混凝土梁桥长期监测系统的建立提供示范作用。

关键词：大跨径混凝土梁桥；长期监测；数据处理；评估；预警

1 监测项目

本文依托工程钟秀大桥主桥位于江苏省南通市，主桥是三跨预应力混凝土连续梁桥，跨径组合为（60+100+60）m，跨中截面高260cm，墩顶高550cm，采用悬臂浇筑法施工，上部结构模型图如图1所示。

在监测过程中对钟秀大桥主桥主梁应力、主梁挠度、主梁动力特性、温度、支座反力以及车辆荷载进行实时监测。

主梁应力测点、主梁挠度、主梁动力特性以及环境温度的测点断面位置见图2所示。图中传感器编号为：截面-监测项目：对应传感器数目，其中监测项目为：Y-应力；N-挠度；D-动力。

应力监测测点在截面上的具体布置，根据监测断面的不同而不同，如图3所示。其中图3（a）所示为钟秀大桥各跨墩顶1/4L截面的测点布置示意图，图3（b）所示为中跨跨中截面、边跨端部1/4L截面的测点布置示意图，图3（c）所示为墩顶截面测点布置示意图。

钟秀大桥主桥主梁应力可采用振弦式应变计进行监测，如HC-1100型号应变计，为表面式应变计。钟秀大桥主桥纵向坡度为2.5%，跨中离桥台位置距离110m，主梁在桥台与中跨跨中高差相差过大（11000×0.025=275cm>260cm），需设置多套独立的连通管系统。根据图2所示，挠度监测断面共有端部截面（2个）、边跨墩顶2/3截面（2个）、墩顶截面（2个）、中跨1/4截面（2个）、中跨跨中截面（1个）。经过试算后，需对其设置3套連通管系统，以完成对上述9个截面的挠度测量。其中边跨测点组成一个系统，即A、C、F或J、L、M，中跨测点组成一个测点，即F、G、H、I、J，其中F、J断面测点具有转点作用，需在这两个断面上安装两个静力水准仪。3个挠度连通管系统通过墩顶截面（即F、J截面）进行换算，进而可得各截面挠度值。为减小误差，相邻截面的静力水准仪分别放置主梁左、右腹板内侧，如图4所示，其中d值可见表1所示。d值的计算为：d=截面高度-距顶板距离-底板厚度，其中距顶板距离是指静力水准仪与顶板上缘的距离，该值并不固定，主要是考虑静力水准仪能否在箱梁内安装在同一水平高度线上。

钟秀大桥主桥动力监测可采用伺服式加速度计，动力监测测点位置可安装固定于箱室内部底板部位。

桥址处环境温度，可采用HMP45D型温湿一体化传感器进行监测，可置于墩顶部位顶板下缘位置或桥头某处位置。桥梁结构内部温度，则通过对每个应变传感器内嵌热敏电阻进行监测。

对于支座反力，可在每个支座处安装反力传感器进行监测。对于车辆荷载，可在桥头部位安装动态地磅进行监测。

2 数据处理方法

数据处理系统是桥梁结构监测系统中的核心模块，负责将数据采集与传输系统输出的各类原始数据进行预处理与转换、误差消除、统计分析等，同时也将处理得到的监测数据传输到数据管理系统中的监测数据管理子系统中归档存储，以及传输到评估预警系统中查看是否引起警报。

3 评估与预警方法

3.1 综合评估

钟秀大桥主桥可采用基于层次分析法的变权综合评估法进行评估，其评估指标可见图6所示。

3.2 预警设置

在计算时，需考虑的荷载主要有结构自重、预应力、汽车荷载、收缩徐变以及温度作用。温度作用可分为截面梯度作用与系统温度作用。对于汽车荷载，根据设计图纸，在Midas/Civil中对其设置3车道。温度作用按规范进行设置。在上述荷载中，结构自重、预应力以及收缩徐变对于各点应力的效应都是恒定的。而汽车荷载及温度作用所产生的效应值是变化的，对各测点应力可正可负（汽车荷载布置于不同跨，温度变化可正可负）。

如图7所示，为钟秀大桥主桥在成桥1年时，全跨范围内各截面顶、底板边缘位置，在上述荷载中的应力最大值与最小值示意图。其中温度荷载只取其梯度温度效应（桥梁纵向静定，系统温度效应很小）。图中所示应力最大或最小值，即为预警的安全阀值，即为红色警报值，将其乘以0.8即可得黄色警报值。中跨跨中顶、底板边缘位置的应力警报值如表2所示，其他截面的应力预警阀值类似计算。

挠度的预警阀值求解过程类似，所需考虑的荷载是汽车荷载、温度作用。其中温度作用只考虑其系统温度作用（梯度作用影响很小）。图8所示为结构在汽车荷载以及温度作用下的挠度变化值。其最大值或最小值即为结构挠度安全阀值，也即为红色警报值，将其乘以0.8即得黄色警报值。中跨跨中截面的挠度警报值可见表3所示。

4 长期监测总体框架

钟秀大桥主桥长期监测总体框架，可以由传感器、数据采集与传输、数据处理与分析、结构响应对比分析、综合状况评估与预警以及数据管理等部分组成，如图9所示。

传感器系统是利用相关监测设备，根据前述方法对结构进行布设，负责监测结构在荷载作用下的如应力、挠度等结构参数的变化。数据采集与传输系统则负责将传感器系统监测到的信息进行收集，并将其传输至数据处理与分析系统中。经过数据处理与分析后，将不同时间段上的结构响应进行对比分析，可对结构健康状况有一定的了解。同时结合桥梁综合状况评估以及预警分析，可较为准确的把握桥梁健康状况，并可对桥梁养护维修提供建议。整个监测过程在运行中所产生的全部原始数据（频率、液位变化等）及监测数据（结构应力、结构变形、振型、温度等），需要通过数据管理系统进行备份长期储存，以备统计分析。

5 结束语

本文主要对课题依托工程——钟秀大桥主桥，从监测项目、数据处理方法以及评估预警等三个方面叙述了建立长期监测的过程，其中对监测项目及预警进行了主要叙述。该方法具有针对性和经济性，可以为这类桥梁的长期监测提供指导作用。

参考文献

[1]许肇峰，王强.桥梁评估方法的研究现状与发展[J].工程结构，2008（04）：148-152.

[2]李亚东.既有桥梁评估方法研究[J].铁道学报，1997（03）：109-115.

[3]吴小平.复杂桥梁结构综合监测系统开发研究[D].浙江大学，2005.

[4]宗周红，朱三凡，夏樟华.大跨径连续刚构桥安全性评估的综合分析方法[J].铁道学报，2011（07）：110-117.