基于实时监测和荷载试验相结合的板梁结构综合检测方法

曹新建，吴清伟，李 尚，屠伟新

（1.浙江省建筑科学设计研究有限公司，浙江 杭州310012；2.浙江省建设工程质量检验站有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江浙交检测技术有限公司，浙江 杭州 310015；4.上海数久信息科技有限公司，上海 200070）

1 概述

钢筋混凝土和预应力混凝土空心板因其自重轻，结构性能好，施工方便，可大批量工厂化集中预制等诸多有利因素，20世纪80年代至21世纪初被广泛应用于我国公路及城市道路的中小桥梁，成为我国中小桥梁的主要结构形式。

随着交通运输业的迅猛发展以及桥梁的日益老化等因素，在役桥梁的安全运营面临着严峻的考验。荷载试验是当前常用的桥梁承载能力检测方法。它通过试验荷载检验桥梁在设计荷载作用下，梁体的刚度和强度是否满足设计要求。荷载试验存在以下不足：

1）规范要求对新建桥梁和桥梁技术状况等级较差的桥梁进行荷载试验。但是新建桥梁和技术状况等级差的数量巨大，养护部门每年预算有限，加之荷载试验费时费力，严重影响交通，很多地方实际上难以实现。

2）荷载试验虽可以从刚度的角度确认桥梁的安全性，但并不能把握桥梁在设计荷载作用下实际运营时的安全情况。即对于满足设计要求的车辆荷载显然没有问题，但是对于超出设计标准的车辆荷载存在着风险。这个问题也是中小桥梁垮塌的重要原因之一。

日本道路保全技术中心在1995年制定了检测标准，并每年对定期检查有问题的桥梁和服役时间长的桥梁实施相关检测。其要点如下：

1）在桥梁的跨中底部粘贴应变传感器，连续监测应变72 h；

2）根据72 h的监测结果，统计不同应变值的发生频次，得到实际交通荷载引起的最大应变值；

3）根据对象桥梁的设计资料，计算跨中下缘达到抗拉强度时的允许最大活载应变值；

4）如果实际运营交通荷载引起的最大应变值大于允许最大活载应变值，则认为是不安全的，需要补强。

2016年上海市道运管理局道运中心委托上海数久信息科技有限公司，参考日本道路保全技术中心的方法，对5座桥梁的板梁结构的挠度和应变进行了72 h监测试验研究，建立了板梁结构工作状态评定标准［1］。

本文参考了上述研究结果，提出了基于实时监测和荷载试验相结合的综合检测方法，实现了少封交通、低成本及对板梁上部结构的承载能力进行检测评定，并进行了三座桥梁验证试验。

2 监测评定方法

提出的基于72 h实时监测和荷载试验相结合的综合检测方法如下（图1）。

图1 提案的检测评定方法

1）结合板梁设计参数，对板梁挠度与应变进行有限元计算，获得各跨最大应变与最大挠度作为阈值；

2）对板梁结构进行72 h实时监测，获取该监测周期内最大的板梁应变与挠度特征；

3）对应变与挠度数值在阈值内的板梁结构，判定其为安全。而超出阈值的板梁结构，需进行荷载试验，检查板梁刚度是否存在问题。如果没有达标则需要考虑对桥梁进行加固与维修；如果荷载试验结果符合桥梁的刚度要求，则需要对其桥面交通进行治超管理。

3 试验桥梁概况

试验桥梁为杭州市临安区畔湖桥、杭州市临安区青山大道桥及杭州市余杭塘路蒋村港桥3座桥梁（表1）。这3座桥全桥的状况评估见表2。杭州市余杭塘路蒋村港桥由于周边施工，试验期间存在超重的土方车和混凝土搅拌车通行。

表1 畔湖桥、青山大道桥、余杭塘路蒋村港桥配置参数

表2 畔湖桥、青山大道桥、蒋村港桥各结构状况评估

4 72 h实时监测设备

72 h实时监测设备采用上海数久信息科技有限公司独立研发针对板梁结构的快速监测系统［2-3］（简称BAM系统）。它由布置在梁底测点的传感器以100 Hz的速率高速采集测点的挠度和应变，见图2。

图2 BAM系统架构

BAM系统通过72 h的连续监测对板梁结构的实际工作状况进行定量评定［4-5］，具体功能见表3。

表3 72 h监测结果评定

5 桥梁试验结果

5.1 理论计算结果

采用MIDAS CIVIL 2020建立3座桥梁的有限元模型。通过计算实际加载车辆得到梁体在车辆荷载作用下梁体最大应变和最大挠度，见表4。

表4 畔湖桥、青山大道桥、蒋村港桥的理论计算结果

5.2 72 h监测结果

72 h连续采样监测，选择机动车道路面下方的板梁结构，见图3。

图3 3座桥梁72 h监测测点布置

将传感器布置在每条待监测板梁之间的铰缝上，即每条铰缝两侧需要布置两个传感器。

表5为畔湖桥72 h监测结果。其中3号、4号、5号及15号、16号板梁的监测设备故障，监测数据作废弃处理。6号至14号板梁的最大应变和挠度均小于理论计算最大值，属于安全范围内（状态I）。

表5 畔湖桥72 h监测结果

图4为畔湖桥11号板梁跨中挠度和应变的频度分布。由此可见，72 h内通行车辆以轻型车辆为主。

图4 畔湖桥11号板梁跨中挠度和应变的频度分布

表6为青山大道桥72 h监测结果。1号至14号所有板梁的最大应变和挠度均小于理论计算最大值，属于安全范围内（状态I）。

表6 青山大道桥72 h监测结果

图5为青山大道桥4号板梁跨中挠度和应变的频度分布图。由此可见，72 h内通行车辆以轻型车辆为主。

图5 青山大道桥4号板梁跨中挠度和应变的频度分布

表7为蒋村港桥72 h监测结果。7号板梁的最大应变超出理论计算最大值，为不安全状态（状态Ⅱ）。图6为蒋村港桥7号板梁跨中挠度和应变的频度分布图。由此可见，72 h内通行车辆仍以轻型车辆为主，但是存在数百次重型车辆通过。

图6 蒋村港桥7号板梁跨中挠度和应变的频度分布

表7 蒋村港桥72 h监测结果

5.3 荷载试验结果

为进一步验证桥梁刚度，对3座桥梁按照现行《公路桥梁荷载试验规程（JTG／T J21—01—2015）》的要求，进行了偏载和中载两种不同荷载工况的荷载试验。

3座桥梁荷载试验的结果见表8，荷载试验结果表明桥梁的刚度和强度均满足相关规范的要求。

表8 畔湖桥、青山大道桥、蒋村港桥荷载试验结果与刚度系数

5.4 试验监测结果分析

表9为理论计算72 h监测及荷载试验结果的汇总表。如表9所示，畔湖桥和青山大道桥经过72 h监测结果表明板梁的工作状况处于安全范围，荷载试验证明其刚度也是合格状态。

表9 荷载试验和72 h监测结果汇总

蒋村港桥的72 h监测发现板梁最大应变超过理论计算最大应变值，表明板梁的工作状况处于不安全范围。而荷载试验表明其自身刚度处于合格范围。通过调查蒋村港桥周边，发现该桥附近有工地施工，装载混凝土和桩基设备的重型车辆频繁通过该桥。这说明影响该桥的安全因素应该是超载车辆，需要对该桥的超载状况进行治理。

6 结语

为了解决荷载试验作为目前桥梁常用的承载能力检测方法存在着检测费用高、对交通影响大、无法反映实际运营交通荷载作用下结构的承载能力等问题。本文提出了基于72 h实时监测和荷载试验相结合的综合检测方法，实现了少封交通、低成本，且对桥梁上部结构的承载能力进行检测评定。并以此方法对杭州市临安区畔湖桥、杭州市临安区青山大道桥及杭州市余杭塘路蒋村港桥等3座桥梁进行了验证试验。

试验结果表明，此方法能较好解决单纯进行荷载试验存在检测费用高，对交通影响大，无法反映实际运营交通荷载作用下桥梁结构的承载能力状况等问题。并且通过72 h实时监测，提出桥梁目前所属状况，从而为板梁结构的养护和维修提供了宝贵的数据。