浅析系杆拱桥的健康监测方法

谭二军

摘要：桥梁健康监测系统的核心任务是获得环境、荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，在对监测信息进行综合评估的基础上获得行车和结构的双重安全状态信息，为结构高质量的安全、高效、经济运营提供成套技术支持。在结构健康监测系统中，从现场采集的数包括不同测点的位移、应变、加速度、和环境激励等数据，且数据量随时间的变化不断增加。这表征不同空域和时间域的实时监测数据是桥梁结构健康状态信息的载体，充分利用数据所包含的信息对精确评估桥梁结构的健康状态是至关重要的，因此针对不同的桥梁结构形式制定不同的监测方法。 本文以某桥全长537.4m，桥面宽18m，行车道宽14m，两侧人行道宽2m的系杆拱桥的健康监测方法为例进行作健康监测方法分析。

Abstract： The core task of the bridge health monitoring system is to obtain environmental， load and structural response， local damage and other information. Based on the comprehensive evaluation of the monitoring information， the dual safety status information of the driving and structure is obtained， which provides efficient technical support for efficient and economic operation of the structure. In the structural health monitoring system， the number collected from the field includes data such as displacement， strain， acceleration， and environmental excitation of different measuring points， and the amount of data changes with time. This indicates that the real-time monitoring data of different airspace and time domains is the carrier of the bridge structure health status information. Making full use of the information contained in the data is crucial for accurately assessing the health status of the bridge structure. Therefore， different monitoring methods are formulated for different types of bridge structures. In this paper， the health monitoring method of a bridge with a total length of 537.4m， a bridge width of 18m， a lane width of 14m and a sidewalk width of 2m on both sides is taken as an example for health monitoring.

關键词：风荷载；温湿度；线形；吊索力；内力；结构

Key words： wind load；temperature and humidity；linear shape；sling force；internal force；structure

中图分类号：U446 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0202-03

1 风荷载监测

风荷载是大型桥梁的荷载源之一，采用风速风向仪实时监测系统能及时了解桥址处环境风力、风向变化情况，为分析桥梁的工作环境、评价行车安全状况、提供养管信息、验证桥梁风振理论，以及研究极限风环境下的大桥工作状况提供了依据。通过采集三个正交方向的风速时间历程；绘制平均风和阵风的风玫瑰图，绘制风向-风速图，求出并绘制梯度风和阵风的剖面；计算三秒阵风风速、一分钟平均风速、十分钟平均风速及一小时平均风速；计算风紊流强度、风谱、幅谱及相关性；找出安装了位移、加速度等传感器的桥梁响应与风速的关系，以及构件应变与风参数的关系。

采用风速风向仪实时连续监测，采样频率5Hz。实时监测部署位置的环境风速、风向数据。为监测大桥在风环境下的工作状态提供数据，为分析桥梁在风环境下的状态、行车安全、验证桥梁风振理论提供依据。根据系杆拱大桥的结构特点及经济实用的原则，宜在主跨跨中桥面上游布置1个测点，并用1个风速风向仪进行监测。

2 温湿度监测

大气温湿度变化是桥梁的重要荷载源之一，常引起大桥的变形和桥梁线形的改变，是监测重要内容。大桥采用箱梁，监测箱梁内温湿度也非常重要，运营期养护工作中，就需要经常进行箱梁温湿度检测。通过采集桥面及箱梁内大气温度及相对湿度参数，统计出每小时、每天、每月、每年的大气温度及相对湿度值及其变化，绘制出时间历程趋势图。

采用温湿度计实时连续监测，采样频率每1分钟采样一次。实时监测测点位置的环境温湿度数据。为分析桥梁在环境温度下结构受力和变形、结构状态提供依据。根据系杆拱桥的结构特点及经济实用的原则，应用1个温湿度计在主跨跨中桥面上游布置1个测点进行监测。

3 主梁线形监测

实时监测大桥主梁挠度/线形变化，研究挠度变化与环境变化（风、温度、交通荷载）的关系，为大桥工作状态动态显示及结构健康评估提供资料。根据系杆拱桥设计资料，该桥主跨跨径大，而主梁挠度是评价主梁以及大桥状态的重要参数，是必须检测的内容。

采用静力水准仪连续采集，满足同步测量要求，采样频率1Hz，监测主梁在荷载作用下的竖向变形，评判主梁长期线形变化情况，为主梁工作状态的评定提供依据。根据系杆拱桥的结构特点，宜选取主桥6分点截面（不含拱脚），共计5个截面，上下游各布置1个测点，共计10个测点。同时在桥面的主拱座处上下游各布置水准测量基站，用12个静力水准仪对主梁挠度/线形进行长期实时监测。

4 吊索力监测

吊索是大桥最重要的构件之一，而索力是评价索以及大桥状态的重要参数，是必须监测的内容，同时吊索风致振动监测也是非常重要的。目前进行索力测度方法很多，有通过压力传感器测试验的直接方法，有通过测试振动信号得到索的固有频率的振动法，有通过光纤传感器测试索的应变值得到索力的方法。本桥系统采用加速度传感器连续监测部分索的索力。使用振动法将测得的加速度值计算出频谱能够较准确地测量出索力，从而达到实时掌握吊索的拉力情况，为评估各构件的工作状况提供依据的目的。

采用光纤光栅加速度计实时在线监测，采集频率为50Hz，实时监测桥梁运营期间吊索索力的变化规律，通过对比分析成桥状态时吊索的力学性能，定期对吊索的安全状态作出评估，为预警系统中阈值的设定、调整提供参考，及时对吊索的病害进行处理，避免索力重分布对整座桥梁造成的不利影响。根据系杆拱桥的结构特点，宜选取相对数量（一般10对以上）的吊索，上下游对称布置。2倍数量的光纤光栅加速度计，对吊索索力进行长期实时监测。

5 系杆内力监测

系杆作为系杆拱桥的主要受力构件，起着平衡主拱水平推力、降低支座水平反力的作用。同时，系杆内力相当于箱拱结构的整体预应力，可明显地改善该结构的竖向变形特性，对保证桥面行车平顺性有着不可忽视的作用。因此，将新城大桥系杆索力纳入到监测内容，通过实时监测系桿内力变化，把握大桥整体运营状态。

采用光纤光栅加速度计实时在线监测，采集频率为50Hz，实时监测桥梁运营期间系杆索力的变化规律，通过对比分析成桥状态时系杆的力学性能，定期对系杆的安全状态作出评估，为预警系统中阈值的设定、调整提供参考，及时对系杆的病害进行处理，避免索力重分布对整座桥梁造成的不利影响。根据系杆拱桥的结构特点，宜对四组系杆均进行监测。由于系杆长度较大，沿桥梁纵向布置的系杆限位器等可能造成系杆内力沿通长方向分布不均，系杆索力监测时选取了主拱两端同时进行，避免单侧采集到的数据出现极小而不利于结构的安全监测。可用15～20个单向加速度计对系杆索力进行长期实时监测。

6 伸缩缝变形监测

系统监测主桥主梁的纵向位移与转角，为评估风荷载、船撞、地震、交通对主梁的作用提供依据。同时桥梁进入运营阶段，伸缩缝/支座是易于损坏的构建，实时监测伸缩缝/支座处的位移，能够了解支座位移/主梁整体变形情况。由于主桥主梁是一个整体，为提高效率节省资源，支座位移与伸缩缝位移可合并监测，能达到同样效果。

采用位移计监测，采样频率1Hz，通过对梁体纵向位移的监测，实时评估伸缩缝装置以及梁端支座是否处于弹性工作阶段，及时根据其数值变化对伸缩缝进行检查和清理，并统计支座累计变形量值，为主梁的整体变形能力和结构安全状态的评估提供参考。满足实时测量要求，根据系杆拱桥的结构特点，应在主梁两端上下游各布置1个测点，共计4个测点，对支座位移/主梁整体变形进行长期实时监测。

7 结构应变监测

应力监测的目的是了解在交通荷载、风荷载、温度荷载及地震、船撞等各种荷载作用下大桥各重要钢构件的应变、应力情况，为评价结构工作状态及疲劳寿命提供依据。箱梁的损伤对桥梁使用性能的影响是直接的，对箱梁重要的、有代表性的断面进行应力监测，可以了解作为主要承力构件的箱梁的受力状态，及时诊断桥梁的病害、控制车辆荷载测验及对桥梁结构进行疲劳分析是必要的。

采用光纤应变计采样频率10Hz，通过对应变数据的统计分析，得出结构对于不同荷载的响应程度，与理论分析结果一同作为结构安全状态评估的依据。结合其他监测项目进行“异常”数值的原因排查，及时对构件的损伤或病害区域采取维护措施。满足各测点的量程要求，环境要求，根据系杆拱桥的结构特点，应选取上下游4个拱脚的两侧桁拱架，共计8个截面，每个截面布置4个测点，共计32个光纤应变计对结构应变进行长期实时监测。

8 结构温度场监测

大桥结构温度变化是大型桥梁的重要荷载源之一，常引起大桥的变形和桥梁线形的改变，是监测重要内容。结构温度监测能了解桥址处环境温度场的实时变化，以及大桥主要构件的温度及温度梯度情况，为分析结构的受力和变形提供依据，并用于结构状态参数的相关分析。根据采集的参数，统计出每小时、每天、每月、每年的温度值及温差；绘出温度时间历程的趋势变化。

采用光纤温度计连续监测温度，数据连续存储，每1分钟采样一次，对于结构温度的监测数据进行统计整理，得出较长周期内稳定的温度分布情况。进行结构温度关于主梁整体变形、结构局部应力水平等的单参数分析，得出温度变化对于结构各项力学特征值的影响程度。通过温度与变形、应变的关联性分析，得出不同力学特征值之间的联系。根据系杆拱桥的结构特点，考虑温度测点与结构应力监测测点保持一致，全桥共计32个光纤温度计，对结构温度进行长期实时监测。

9 结构振动监测

实时监测大桥主桥主梁在风、交通、地震等作用下引起的振动加速度响应，评估结构的整体动力特性，为桥梁结构整体健康状况评估、验证大桥设计理论及运营管理提供依据。采用光纤光栅单向加速度计，采样频率为20Hz，根据较长周期监测获取的数据，统计分析得出桥梁正常运营期间的基频变化情况以及不同方向的振动位移峰值，并结合其他类型的监测数据，及时有效地对桥梁的工作状态作出评估，确保结构的安全运营。根据系杆拱桥的结构特点，对于主拱，至少选取8分点截面，共计7个截面，上下游各布置1个测点，共计14个单向加速度计；对于主梁，选取8分点截面，共计7个截面，上下游各布置1个测点，共计14个单向加速度计对主供及主梁动力特性进行长期实施监测。

10 环境腐蚀监测

根据现场勘察情况及结构分析结果进行环境腐蚀的测点布置，选择腐蚀较严重或易于腐蚀、结构受力较为关键的吊杆锚头布置测点，确定测点数目一般宜3～6个。环境腐蚀监测采用自动化采集设备连续监测，宜每1小时采集一次数据。

11 结语

由于桥梁在建设期可能存在的初始结构缺陷，以及在运营管理中由于监测和养护管理不足，在超载或其他灾害性突发荷载作用下，一些桥梁出现倒塌和破坏事故，造成了重大的生命和财产损失，因此为了保障桥梁结构的安全性、完整性和耐久性，亟须对已使用的在型桥梁采用有效的手段来监测和评估其损伤程度和安全全状态。

参考文献：

[1]CECS 333-2012，结构健康监测系统设计标准[S].

[2]GB50982-2014，建筑与桥梁结构监测技术规范[S].

[3]JT/T 1037-2016，公路桥梁结构安全监测系统技术规程[S].

[4]《高速公路监控技术要求》2012年第3号公告.

[4]郭健.大型桥梁健康监测系统及损伤识别理论[M].人民交通出版社，2013.