病害监测系统在桥梁工程中的应用

王一平 （南京科兴工程建设项目管理有限责任公司，江苏 南京 210039）

1 桥梁概况

提水站桥位于南京市六合区淮六线S247，跨金牛湖提水站取水河道，桥梁中心桩号为K125+600，桥跨布置为：1×42.4m，桥梁全宽17.0m，设计荷载等级为汽-20，挂车-100。上部结构为混凝土刚架拱，下部结构为轻型桥台，挖孔灌注桩基础，桥面为沥青混凝土铺装。主桥立面见图1，主桥横断面见图2。

图1 提水站桥立面图

图2 提水站桥横断面图

2 桥梁结构病害监测系统

2.1 病害监测系统简介

病害监测系统包括硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括：①传感器系统；②数据采集系统；③数据采集与传输系统；④数据收集及存储系统。软件系统包括监控中心上位机上的病害监测软件系统和远程计算机上基于数据深度处理的结构状态识别系统等。桥梁现场主要由传感器和采集模块获得响应的实时数据，然后通过4G网络传输至远程在线监测系统。此外，用户可以通过手机、Pad等移动手持设备访问在线监测系统数据库，随时随地获取桥梁动态指标。

2.2 病害监测系统风险警报

该桥病害监测系统网址：http://testelectron.eicp.net:10800/ST004736/login.jsp。在该系统中，根据刚架拱桥的结构特点和桥梁结构相应的设计、养护规范，预先设定监测项目指标的限值，并在该系统中留下桥梁管理人员的联系方式，当监测数据大于设定的限值时，系统就会自动将超限的监测数据发到监管人的手机上，提醒管理人员加强注意，应对风险。

根据桥梁结构规范，拱桥的跨中竖向挠度的限值为L/800（L为计算跨径），即提水站桥跨中挠度的限值为5.3cm，拱桥上弦杆的横竖向裂缝的限值为0.25mm。

3 监测项目的实施

3.1 监测的必要性

经近几年对提水站桥的定期检测，发现提水站桥的上部结构存在较多问题，其中裂缝、破损现象最为突出，且拱片裂缝、横系梁破损病害数量在不断增加，已有病害破坏程度也在不断恶化。简单列举了提水站桥上部结构典型病害，见图3～图8。

图3 1#拱片拱顶横向开裂

图4 2#弦杆底面距1#台8m处横向裂缝，宽约0.12mm

图5 6#弦杆底面距1#台8m处横向裂缝

图6 5#弦杆底面距1#台8m处横向裂缝

图7 3#弦杆侧面距1#台8.3m处竖向裂缝，宽约0.1mm

图8 7#弦杆底面距1#台8m处横向裂缝，宽约0.08mm

通过对提水站桥病害的检测和分析发现，桥梁普遍且严重的病害有：拱片拱顶横向开裂，部分裂缝延伸至腹板，有的裂缝进行了砂浆修补处理，但也已重新开裂；其次，拱片空腹段上弦杆底面横向裂缝，部分裂缝延伸至腹板，该裂缝的共同点是离1#桥台的距离相近，裂缝位置接近同一截面处；再次，刚架拱片的大节点、小节点处受力复杂，应力集中现象明显，裂缝较普遍；最后，0#台处拱片间横向联系出现破损、裂缝病害，部分微弯板斜向开裂。再要补充的是：拱脚埋入泥土中，无法检测，拱脚与桥台连接处负弯矩较大，也是拱片的薄弱部位，同时提水站桥结构较老旧，承载能力较低。综上，为了确保桥梁结构的安全和行车舒适度，减小振动损害，对该桥进行裂缝、挠度监测十分必要。

3.2 监测项目及监测断面具体位置

据桥梁检测结果、刚架拱桥的受力特点和结构风险评估确定病害监测的内容为拱片裂缝宽度、拱片拱顶挠度。测试拱片截面位置和测试项目见表1，具体监测断面位置见图9～图12。

各监测截面及监测项目 表1

图9 1#、4#、7#拱片拱顶挠度测点示意图

图10 2#拱片弦杆底面裂缝测点示意图

图11 3#拱片弦杆左侧侧面裂缝测点示意图

图12 7#拱片弦杆底面裂缝测点示意图

3.3 监测设备

2#、3#、7#拱片弦杆裂缝宽度监测采用TZT-20L(B)4-20mAW裂缝计，实物图见图13；1#、4#、7# 拱片拱顶竖向挠度监测采用TZT-1000A液压式静力水准仪，实物图见图14，两种仪器的主要性能指标见表2。

图13 TZT-20L(B)4-20m AW裂缝计

图14 TZT-1000A液压式静力水准仪

监测设备主要性能指标 表2

4 监测数据分析

提水站桥现场监测数据，通过4G无线网络传输到桥梁病害在线监测管理系统。我们设计的裂缝宽度和拱顶挠度监测频率都是1小时一组数据，现将2020年度6月份的裂缝监测数据处理分析后绘制成图，见图15；6月份的挠度监测数据处理分析后绘制成图，见图16。

图15 受测弦杆裂缝宽度6月时程曲线图

图16 受测拱片拱顶挠度6月时程曲线图

由图15可知，2#、7#拱片上弦杆的裂缝宽度值相对波动较小，3#弦杆的裂缝宽度起初增长较快，后来渐渐趋于平稳，且宽度均在0.2mm以内，符合限值要求；由图16 可知，1#、4#、7# 拱片拱顶竖向挠度值均在2.5cm以内，满足限值要求，且除个别时间点外，挠度波动幅度基本稳定，桥梁刚度状况满足要求，行车较为舒适。

5 总结

本病害监测系统可以结合桥梁结构的实际病害进行针对性的跟踪监测，为桥梁结构的安全性、行车舒适性保驾护航。此外，若想全面了解此桥的健康状况和承载能力，可以在桥梁主要构件的控制截面上设置应力应变传感器，将实测值与理论值进行对比分析即可；同时，若想更加精确地掌握桥梁结构的刚度特性，保证行车的舒适性和安全性，仅仅活载挠度指标是不够的，还必须对桥梁结构的动力响应参数（振动频率、振幅、振动速度和振动加速度）进行监测分析，其中振动加速度对人的舒适性感觉影响最大；最后，由于拱桥是一种受压结构，因此结构的稳定性问题也不能忽略。