探讨公路桥梁养护管理措施及长大桥梁健康监测系统建设

郭 飞

（贵州省公路局,贵州 贵阳 550081）

0 引言

随着时间的变迁，我国部分早期建成投入运营的公路桥梁在长期的车辆载荷、环境侵蚀等因素作用下陆续出现坑槽、裂缝等病害，导致桥梁通行条件恶化，交通运输受到影响，实际使用年限大大缩短，最终成为危桥[1-2]。因此，需要深入研究公路桥梁的养护管理方法及危桥的改造技术，以提高我国公路桥梁使用性能，保障交通运输安全。

1 公路桥梁养护管理的有效措施

1.1 做好桥梁养护检查工作

公路桥梁养护管理人员应按照《公路桥涵养护规范》规定，对辖区内管养的在役公路桥梁进行经常检查、定期检查和特殊检查，摸清底数，建立工作台账。经常检查一般每月不少于一次，定期检查不少于三年一次。汛期还应对交通量大、重型车辆多、特殊复杂结构、技术状况四类及以上等重点桥梁加大检查频率。

1.2 编制桥梁病害养护方案

不同的公路桥梁产生的病害种类、表现、成因及严重程度各有不同，公路桥梁养护管理人员要全面了解公路桥梁的病害类型、发展趋势以及形成原因，结合病害现场调查结果制定针对性的病害养护工作计划，以有效确保公路桥梁养护效果。应根据桥梁养护检查评定的桥梁技术状况编制公路桥梁养护方案，并及时开展养护工作，发现四、五类危桥还需及时会同公安交通管理部门实施交通管制，落实交通保畅方案。其中：一类桥梁进行正常保养；二类桥梁进行小修，及时修复轻微病害；三类桥梁进行中修，视具体情况考虑进行交通管制，及时修复或更换损坏较大的构件；四类桥梁应进行大修或改建；五类桥梁应进行改建或者重建。

1.3 开展桥梁预防性养护工作

在公路桥梁养护管理工作实践中发现，桥梁铺装层、支座、混凝土结构表面裂缝、泄水孔、伸缩缝等病害往往初期就有明显征兆，若提前开展桥梁预防性养护工作，可以提前做到治早、治小、治好，有效防止桥梁病害发生或延迟桥梁轻微病害进一步发展，延长桥梁使用寿命。例如：桥梁混凝土结构表面出现的裂缝和缺陷，若及时采取有效措施封闭裂缝和修复缺陷，可有效防止裂缝进一步扩大引起的钢筋锈蚀等病害；桥梁运营一段时间后，因养护管理、自然因素等导致的泄水孔或伸缩缝堵塞，应及时进行清理，若发现伸缩缝失效后，要及时更换伸缩缝，避免连锁引起其他病害问题，保证桥梁运营安全。

1.4 提升桥梁管理信息化水平

常规的公路桥梁管理养护模式需要大量专业技术人员开展人工巡查、填报档案资料，耗时费力、浪费资源。随着我国信息技术高速发展，运用卫星定位信息采集、互联网、手机App、大数据分析等信息化技术，将桥梁基本情况、现场照片、检查记录、技术状况、维修加固等有关信息全部录入系统，为每一座管养的桥梁建立一份档案，运用大数据对桥梁进行管理养护，方便桥梁管理养护人员随时查看，可有效解决传统人工巡查效率低、覆盖面小的问题，同时为桥梁管理养护计划下达提供决策依据。例如：贵州省在全国率先研发的“四好农村路”综合管理系统，采用卫星定位技术，基于遥感影像采集农村公路桥梁所在路线及位置信息，与矢量电子地图智能匹配核对，通过桥梁位置定位、采集桥梁病害照片与桥梁技术状况比对，为下达农村公路危桥改造计划提供了决策依据。同时研发了“eroad贵州”移动平台，实现了危桥改造项目的外业采集、督查管理和综合查询等功能，提升了贵州省农村公路危桥改造项目管理的便捷性、高效性和精准性[3]。

2 长大桥梁结构健康监测建设

2.1 公路桥梁结构健康监测系统介绍

桥梁健康监测就是通过对桥梁结构状况的实时监控和及时评估，使桥梁在特殊气候条件下或在某特定的交通通行条件下达到临界值，又或在桥梁使用期间技术状况异常严重时，桥梁结构健康监测系统能实时发出预警信号，为桥梁的管理养护决策提供科学依据。公路桥梁结构健康监测系统一般由传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与管理模块、系统软件及附属设施构成，通过实时采集桥梁环境、作用、结构响应和结构变化数据对桥梁状态进行监测、报警、分析和评估。

2.2 公路桥梁结构健康监测系统建设要求

按照交通运输部办公厅印发的《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》（交办公路〔2021〕21号）相关要求，公路在役和在建单孔跨径500 m以上的悬索桥、单孔跨径300 m以上的斜拉桥、单孔跨径160 m以上的梁桥和单孔跨径200 m以上的拱桥等长大桥梁，需建设桥梁结构健康监测系统，对长大桥梁结构健康进行实时监测，动态掌控长大桥梁结构运行状况，及时防范化解公路长大桥梁运行重大安全风险，进一步提升公路桥梁结构监测和安全保障能力。

2.3 贵州省某大桥结构健康监测系统介绍

2.3.1 桥梁概况

贵州省某大桥，设计桥型为三跨连续刚构桥梁，全长347 m，跨径组合为90 m+160 m+90 m。上部结构为三向预应力混凝土变截面连续箱梁，采用C50混凝土，主梁截面为单箱单室箱形截面。下部结构0号桥台采用肋板式轻型桥台，挖孔桩基础；3号桥台采用重力式混凝土U形桥台，扩大基础；桥墩采用薄壁墩双墩形式，墩身外形为圆端形，基础采用挖孔灌注桩。桥面无纵坡，设置1.5%横坡，行车道宽9 m，两侧人行道各宽1.5 m，桥面铺装为2 cm厚C40垫层混凝土加8 cm厚的CF40钢纤维混凝土，仅在左、右两岸桥头各设置一道MZL240型伸缩缝。设计荷载为汽车-超20设计，挂车-200验算，人群荷载3.5 kN/m2。桥梁于2004年7月建成通车。

2.3.2 桥梁结构健康监测系统设置要求

（1）结构健康监测系统应稳定可靠，经济实用。

（2）选用稳定性、耐久性好，能长期使用的传感器和设备。

（3）传感器和设备必须具有：可维护性、可更换型。监测数据必须保证既能用于结构评估，也能够作为桥梁养护管理相关决策的依据[4]。

（4）大桥结构健康监测系统应具备预警功能。在结构响应等参数接近或突破阈值时，系统应有预警提示及记录功能。

（5）大桥结构健康监测系统应具备一定的开放性，确保系统有相应的升级换代能力、远程数据共享及监测功能。

（6）大桥结构健康监测系统要考虑其长期使用过程中设备损坏的实际问题，系统传感器数量和设备等应具有适度冗余，以确保系统可靠性和满足系统未来改进、拓展和完善要求。

（7）大桥结构健康监测系统应满足二次开发和集成的要求。

2.3.3 系统框架与组成

总体上，大桥结构健康监测系统包括四个功能模块：一是传感器功能模块，二是数据采集与传输功能模块，三是数据处理与分析功能模块，四是结构健康预警与评估功能模块。该文重点介绍传感器功能模块检测内容和测点布设，贵州某大桥结构健康监测功能模块结构如图1所示。

图1 贵州某大桥结构健康监测功能模块结构图

2.3.4 传感器子系统监测内容和测点布设

该桥梁监测内容包括交通荷载、环境温湿度、结构温度、路面温度、地震动作用、主梁挠度、梁端纵向位移、高墩墩顶偏位、关键截面应力（应变）、主梁振动、结构裂缝及行车状况，大桥传感器总体布置如图2。

图2 大桥传感器总体布置图

（1）交通荷载监测。通过视频监测和称重系统记录桥梁结构在运营过程中通过的车辆车速、车型、车重、车流量等。该桥采用设备为动态称重系统2套和高清摄像头2个。动态称重系统安装在距离0号桥台40 m路基或有稳定支撑等结构铺装层内处，在1号、2号两个高墩墩顶分别安装一个摄像头。

（2）环境温湿度监测。实时监测部署位置的环境温湿度数据，分析大桥在环境温度下结构受力的变形、结构状态和耐久性。该桥采用设备为2台温湿度计。在主跨跨中桥面布置1个温湿度计，用以监测桥址区环境温湿度。主跨跨中箱梁内布置1个温湿度计，用以监测主梁内温湿度。

（3）结构/桥面铺装温度监测。主要考虑桥梁运营期对日照等影响下箱梁温度梯度对桥梁结构受力的影响，实时监测部署位置的温度数据，为分析桥梁在温度作用下结构受力和变形、结构状态提供依据。该桥采用设备为28个应变计含温度加1个路面温度计。在桥梁左边跨跨中、左边跨右梁端、中跨左梁端、中跨跨中、中跨右梁端、右边跨左梁端、右边跨跨中7个截面布置，每个截面布置4个应变计。桥面温度计布置于中跨跨中桥面外侧。

（4）地震动作用监测。主要考虑桥梁运营期的地震输入时程，为进一步评估地震带来的桥梁损伤提供依据。该桥采用设备为三向加速度传感器1台。布设于右岸桥头内侧山壁，对桥址附近三个方向对加速度进行长期实时监测[5]。

（5）主梁挠度监测。通过监测大桥主梁的空间位移，确定大桥主梁的变形状况、几何线形等情况，及时、直观地提供数据，为评价大桥结构状况提供依据。本桥采用设备为7台静力水准仪。布置于桥梁左边跨跨中箱梁内底板、1号墩箱梁内底板、中跨1/4点箱梁内底板、中跨跨中箱梁内底板、中跨3/4点箱梁内底板、2号桥墩箱梁内底板、右边跨跨中箱梁内底板，对主梁挠度进行长期实时监测。

（6）梁端纵向位移监测。对梁端纵向位移进行监测，实时了解其疲劳效应和磨损情况，为评估风荷载、地震、交通对大桥结构的作用提供依据。该桥采用设备为4个拉绳式位移计。分别选取主桥上下游梁端处进行监测，对梁端位移进行长期实时监测。同时在伸缩缝位置处布置永久人工观测点[6]。

（7）高墩墩顶偏位监测。通过实时监测桥梁桥墩墩顶偏位状况，实时了解桥梁在风荷载、温度荷载及交通荷载等作用下受力情况，为大桥工作状态动态显示及结构健康评估提供依据。该桥采用设备为2个倾角仪。选取1号墩、2号墩墩顶各布设2个测点，对高墩墩顶偏位进行长期实时监测。

（8）主梁混凝土结构构件应变监测。监测箱梁应变，可以获取箱梁内部温度分布，了解温度和应变关系，同时了解主梁温度、应变变化情况。该桥采用设备为28个振弦式应变计。选取桥梁每跨跨中、1号墩、2号墩两侧箱梁内各布置4个测点。

（9）主梁振动监测。对主梁振动进行实时监测，并根据振动频谱对构件对振动进行监测及预警，同时可根据数据进行模态分析，判断结构振动衰减情况。该桥采用设备为5个三向加速度传感器。选取每跨跨中及主跨四分点各布置1个三向加速度传感器，对结构应变进行长期实时监测。

（10）裂缝监测。通过实时监测裂缝宽度和发展趋势，判断桥梁结构在运营阶段对稳定状态，同时为桥梁结构进行安全性和耐久性分析提供依据。该桥采用设备为14个柔性导电涂料膜。选取桥梁每跨跨中、1号墩、2号墩两侧箱梁内各布置2个测点。一旦裂缝发展超过预设墩阈值，能够发出早期预警，避免病害进一步发展扩大。

（11）外站设备。该桥外站设备主要有一体化机柜、UPS、工控机、监控中心服务器、交换机、光纤接发器、串口模块、直流电源、电源防雷器及信号防雷器等。

2.3.5 其他设备

其他设备主要有采集数据软件、数据平台对接、数据传输、数据预处理与存储、桥梁监测数据显示、数据库设计等。按照交通运输部要求，系统下步将与省、部平台进行对接，系统数据接口采用《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022）要求的标准接口。

3 结论

综上所述，加强和规范公路桥梁养护管理工作，是公路畅通和桥梁安全运行的重要保障。利用公路长大桥梁结构健康监测系统，可实时掌握公路长大桥梁结构状况，防范化解公路长大桥梁运行安全重大风险，提升桥梁管养应急处置和安全保障能力，事关人民生命财产安全。因此，公路桥梁养护管理人员应该充分重视桥梁养护管理工作，规范认真地开展桥梁养护管理工作，按要求运用长大桥梁结构健康监测系统，为大众交通安全保驾护航。