中小跨桥梁安全监测技术研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

随着我国经济的快速发展和公路交通等基础设施的建设，公路桥梁建设规模越来越大。截止2018年末，全国公路桥梁共85.15万座，其中特大桥梁5053座，大桥98869座，而中小跨桥梁数量占全国公路桥梁总数90%以上。由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，桥梁结构将不可避免出现结构损伤和抗力衰减。如何保证数量众多的中小桥运营安全，是桥梁管养部门面临的重要难题。通过安装桥梁安全监测系统可以监测结构的运营状态，根据荷载输入和结构响应判断结构是否处于正常使用极限状态内，是否即将达到或超越服役极限状态，在自然环境、交通条件或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，从而避免重大安全事故的发生。而国内外关于桥梁监测的科学研究、技术规范和工程实践主要集中在特大跨径桥梁领域，对中小桥的安全与健康监测实践及经验还比较少。

一、中小跨桥梁监测参数及传感器的适用性分析

(一)中小跨桥梁监测参数的选择

桥梁健康监测的主要目的是掌握结构的运营安全状况，合理选择桥梁安全监测内容是对桥梁运营状态和安全性进行评估的前提，应尽可能关乎结构安全与否的重点监测内容。桥梁结构安全监测的内容主要包括荷载与环境、结构整体响应和结构局部响应三大类：荷载与环境监测内容包括车辆荷载、风、地震、湿度、温度和船舶撞击力等；结构响应监测内容包括结构振动、位移、转角和变形等；结构局部响应监测内容包括构件局部应变、支座反力、裂缝和基础冲刷等。目前，《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T 1037-2016)和《建筑与桥梁结构监测技术规范》(GB50982-2014)对大跨径桥梁的监测内容进行了规定，而中小跨桥梁并没有颁布相应的规范标准进行指导。一般大跨径桥梁，监测内容较多，仪器费用高，对于受力简单、数量众多和造价较低的中小跨桥梁并不适用，应进一步优选监测指标与内容，根据桥型力求选择最能反映桥梁健康状况的指标进行监测。

中小跨径桥梁监测内容的选择应符合监测有效性、安全性、耐久性和性价比高等要求，由于中小跨混凝土梁桥造价低、安全监测费用有限等经济适用性因素，结合桥梁结构简单、受力明确、干扰因素少的基本特点，中小跨径桥梁应以挠度、应变和温度为主要监测指标。

(二)中小跨桥梁监测传感器的选择

目前，大跨径桥梁主要基于恒载状态变化的监测方法，其重点在于滤过活载效应得到恒载状态的变化，一般选用低频率的监测设备，主要采集结构长期的参数变化，测试结果不能完整地反映正常运营下桥梁结构的挠度和应力变化，而中小跨桥梁由于跨径较小对采集频率的要求更高。大跨径桥梁往往采用的监测设备精度低，而中小桥在活载作用下挠度整体变化较小，往往不能满足中小桥挠度感知的要求，数据的可靠性降低。

相比之下，基于活载响应监测值变化进行中小跨桥梁运营期安全状态评估的方法，其重点是获得准确完整的活载信息，活载效应的峰值将影响桥梁安全状况的评判。因此采用采样频率高和精度高的动态监测系统及配套传感器，可以保证实际监测数据的完整性，能捕捉到活载引起的各类应变、挠度效应，有利于进行桥梁运行状态的评判。

因此，直接套用大跨径桥梁安全监测系统构建方法则存在成本太高、技术上不适合等问题，对结构进行评级会造成负面影响，对中小桥的安全监测没有实际意义。故中小跨梁桥的健康监测应选用高频率高精度监测设备且对活载效应监测数据有评价功能的监测系统。

(1)挠度监测

主梁挠度是评价中小跨桥梁安全性的重要指标。通过监测桥梁在运营期间内，在活载及长期荷载作用下，桥梁各主要测试断面的位移变化，掌握桥梁结构刚度变化情况及徐变作用情况，对桥梁结构的整体性及薄弱部位进行评估。

目前桥梁挠度监测方法主要有全站仪法、倾角仪法、激光挠度测量、光电成像法、连通管法、GPS法和张力线法等。其中全站仪法和连通管法只适用于测量桥梁结构的静态变形或位移；GPS测量精度低，不能满足中小桥挠度感知的要求，主要应用在特大跨悬索桥和斜拉桥的静态测量；倾角仪法测量桥梁挠度法，其动态测量时容易受到各种倾角相位差及零漂的影响且后续数据处理较繁杂，迄今还没有得到较为广泛的应用；张力线法是一种成本低、安装方便的新型挠度测量方法，但容易受到风和环境温度的影响，目前关于张力线法的研究与应用还较少；电成像测量可以实现桥梁动静态测量，能满足实时、长期、自动测量要求等诸多优点，在实际工程中已得到了很好的应用。综上可知，对于中小跨桥梁，适用性较好的是张力线法和光电成像测量挠度法。

(2)应变监测

应力(应变)监测是反映桥梁结构在荷载作用下构件局部受力与破坏状况的关键指标，通过监测桥梁各主要测试断面应力变化，预警桥梁结构是否有缺损状态的潜伏或存在，从而为桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力提供依据，保证桥梁强度及安全使用的要求。

目前，在桥梁工程中应变测试使用最多的传感器是电阻式应变计、振弦式应变传感器、光栅光纤应变传感器。电阻应变式传感器的稳定性差，长时间测量会产生漂移，适用于短时间的静力或动力试验；振弦式应变传感器主要应用在大跨径桥梁长期、静态的监测；光纤光栅传感器具有耐久性好、采集频率高、精度高、信噪比高等诸多优点，对中小桥的适用性好。

(3)温度监测

了解桥梁温度随环境温度的变化情况，从而为不同温度状态下桥梁工作状态变化，如变形、应力变化进行比较和分析时提供数据。目前监测桥梁温度的主要方式有：热电阻温度传感器、便携式测温枪、光纤温度传感器。

二、总结

中小跨桥梁健康监测系统应选用高频率高精度监测设备，该系统能有效掌握实际运营过程中活载效应对桥梁结构的影响，可为桥梁管理部门及时发现桥梁安全隐患提供有效的依据。