自动监测技术在病害板梁安全使用中的应用

摘  要：本文结合上海某桥扰度监测实例，详细说明了自动监测系统的应用，在保证桥梁使用安全的情况下，对桥梁病害予以快速处理，解决了桥梁实时监测的难题，从而指导类似桥梁梁板监测。

关键词：自动监测;扰度;非预应力

中图分类号：U445    文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

公路中、小桥多采用非预应力钢筋混凝土空心板梁，非预应力空心板梁虽然可以带缝工作，但在超载车辆、大交通流量、积水等情况影响下，裂缝发展较多、较快，铰缝失效、桥面反复破损，造成单梁受力，梁板扰度较大或超限，甚至引起梁板断裂，造成灾难事故。本文结合上海某桥病害板梁扰度实时监测的问题，对非预应力空心板病害板梁扰度实时监测进行交流和探讨[1]。

1概况及分析

1.1 路段概况

上海市某路段共有17座大型立交，主线桥梁93座，其中特大桥5座，大桥14座，中桥33座，小桥41座，其中56座桥存在非预应力空心板梁。

该路段开通至今已使用近十年，中、小桥多采用非预应力钢筋混凝土空心板梁。非预应力空心板梁可带缝工作，但在超载车辆、大交通流量、积水等情况影响下，裂缝发展较多，桥面反复破损、铰缝失效，造成单梁扰度较大，甚至梁板断裂的情况。

1.2 桥梁检查分析

对桥梁板梁的传统评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量（如使用百分表固定于跨中落地支架或相邻梁板上，测量梁板最大扰度或梁板间扰度差）。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。传统检测方式的不足之处主要表现在：

（1）需要大量人力物力，并有诸多检查盲点;（2）主观性强，难于量化：经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的;（3）缺少整体性：人工检查以单一构件为对象，只能提供即时的、局部的检测和诊断信息，而不能提供实时的监测信息;（4）影响正常交通运行：传统的人工检测需要中断交通或者封闭部分车道从而影响桥上车辆的行驶;（5）周期长，时效性差，在突发事件时不能向决策者提供即时信息。（6）在桥下有河流、净空较高的复杂环境条件时，检测尤为困难。

2扰度自动监测方案

2.1 扰度自动监测目标

在以上背景下，借鉴现有桥梁常规定期检测系统和移动互联网技术，开发基于桥梁病害板梁扰度实时监测的装置，用于梁板扰度实时监测，是本实用新型发明实现的最终目的。

对病害板梁扰度自动监测、梁板快速修复为目标，选取北张角港桥三类桥病害板梁扰度自动监测为课题，在不影响交通通行下，安装自动监测设备，开发数据收集及报警管理平台。做到实施监测，超值报警，快速修复，保障通行安全。

北张角港桥起点位于G15沈海高速（嘉金段）K1279+861～ K1279+861处，中心桩号为K1279+878，跨越北张角港，为三跨钢筋混凝土简支空心板梁桥，跨径组合为8m+10m+8m。桥面总宽34m，分为左右两幅，横向布置形式为：0.5m（护栏）+15.0m（机动车道）+0.7m（护栏）+1.6m（中央分隔带）+0.7m（护栏）+15.0m（机动车道）+0.5m（护栏）。上部结构均采用钢筋混凝土空心板梁，其中左右幅均为16片，板梁宽均为0.99m，梁高0.52m。支座采用球冠橡膠支座。下部结构采用轻型桥台，排架式钢筋混凝土方桩桥墩，基础采用预制方桩。

2.2 监测方案简述

本监测方案采用桥梁板梁扰度实时监测装置，包括激光传感器、可持续供电电源、3G模块、管理平台。利用激光传感器测量梁板下扰所产生的扰度，通过移动GPRS网络上传数据至管理平台，该管理平台可应用计算机或手持移动端管理，显示梁板实时扰度，并可根据梁板扰度实时数据，依据《公路桥梁技术状况评定标准》的规定的评定指标，判断梁板病害状况，摆脱了人工巡查不及时、无实时数据的局面，可在不影响交通通行下，快速获得病害梁板扰度数据，以便掌控梁板病害发展[2]。

2.3 监测系统示意图（图1）

2.4 监测方案实施

2.4.1筛选病害板梁

通过巡检筛选病害非预应力板梁：选择板梁裂缝已发展较多，存在裂缝渗水、析白现象;桥面屡次破损，铰缝失效，可观察到单板扰度较大。

2.4.2安装监测装置

根据传感器形状设计，制作传感器安装盒、线缆固定环和底座。对于混凝土结构则主要是采用膨胀螺栓表面安装，使用线缆支撑系统（穿线孔、线缆槽支架、固定环等）来保证传感器线缆的走线顺畅、合理。传感器安装盒及底座采用密闭设计，完成安装的传感器安装盒及底座均具有良好的防尘和防水功能。

根据测点的测量要求，选择实际安装的位置。选小桥其中 一跨L/2跨中位置为挠度测量控制截面，分别于纵向两个方向分别布设一个激光传感器，对跨中位置进行测量。具体位置布设图见图2。

除了选择合适的测量位置外，还要考虑方便以后的维护工作，控制箱选择安装在防撞护栏外侧，并设置太阳能电池板供电。传感器在使用前均作了稳定性试验，以免影响到长期观测的精度，见图3，图4，图5，图6。

2.4.3监测报警值设定

根据《公路桥梁技术状况评定标准》的规定，梁式桥的上部结构为桥梁的主要部件，不仅对安全使用至关重要，而且维修工作量和难度较大，所以上部结构构件评定指标的类别标度≥3类就需要及时进行维修。针对非预应力简支梁桥梁板，以跨中扰度作为重点监测，监测报警值根据跨中扰度5个标度中的3、4、5标度设置，标度3：跨中最大扰度≤计算跨径的1/1000;标度4：跨中最大扰度>计算跨径的1/1000且≤1/600;标度5：跨中最大扰度>计算跨径的1/600[3]。

2.4.4数据上传管理平台和报警

对上传至管理平台的监测数据信息，能实现以下功能：

（1）能实时监测和记录梁板扰度数值，记录每日扰度最大值产生时刻，见图7;

（2）能分析监测时段内测量数值的变化，是否有超出预警值的趋势，见图8;

（3）超出预警值时，能通过信息报警，为抢修提供技术支持;

（4）通过管理平台数据查询，对梁板病害发展进行系统分析。

2.4.5警报的应急预案

通过自动监测，力求桥梁病害在超限报警值时通过短信自动通知相关人员。达到标度3时，由巡查人员立即到现场进行勘察;达到标度4，立即组织应急抢险人员对桥梁进行应急抢修加固;达到标度5，立即采取组织紧急封交措施。

2.4.6装置应用效果

监测装置在某桥梁监测时发出标度5报警，显示梁板结构出现明显的永久变形，梁板出现严重病害，显著影响承载力和行车安全。赶赴自动监测装置报警的桥梁后，发现该梁板断裂下扰约8cm，对通行车辆有重大交通安全隐患，立即组织人员封闭损坏梁板所在车道，紧急寻找可更换新梁，通过紧张施工，在48小时内完成了紧急抢修任务，恢复了交通。

3监测系统特色

本实施例应用于某高速空心板梁桥梁板扰度监测，该桥梁结构自动监测装置，是一个以桥梁结构为平台，应用现代传感技术、通信网络技术、综合报警、信息网络分析处理各功能为一体的监测系统。在使用该监测装置情况下，事实证明效果很好，且可反复使用。

4结语

以上详细描述了本监测方案的较佳具体实例，应该理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据需要作出诸多修改和变化。因此，本监测方案，消除了潜在的不安全因素。本监测方案比人工检查等其他检查方式，具有创新的工法和经济的造价，同时保证了桥梁的安全，为以后在类似桥梁检查中，积累了宝贵的经验。

參考文献

[1] 叶肖伟，张小明，倪一清，等.基于机器视觉技术的桥梁扰度测试方法[J].浙江大学学报，工学社，2014，48（05）：813-819

[2] 韩基刚.浅析桥梁健康监测系统建设环节的控制[J].科技创新与应用，2016（11）：248.

[3] 陈淑芳.浅谈桥梁养护与维修的信息化管理[J].科技创新与应用，2012（11）：162.

收稿日期：2020-01-21

作者简介：黄海涛（1975—），男，上海人，本科，工程师，研究方向：工程管理。