预应力混凝土桥梁健康监测分析研究

0 引言

预应力混凝土桥梁由于施工简便、结构稳定且便于维护等优点，在目前国内公路桥梁中占有较大的比重。截至去年底，国内共有各类预应力混凝土桥梁约143万余条，其中尤其以中、小跨径梁桥居多，而这些桥梁大多没有形成较为完备的健康监测体系。同时预应力混凝土桥梁相比较于其他以非混凝土为结构主体的桥梁类型，更易受到混凝土的时变（如收缩徐变等）影响，且相比于普通混凝土材料还具有一定的力学性能，所以对预应力混凝土桥梁展开健康监测分析研究具有重要意义。

此外，当前国内针对预应力混凝土桥梁的健康监测并没有统一、可执行的标准或意见，且国外相关研究仍处于试验性或者待深入研究应用阶段，因而本项目具有一定的开创性和试验推导性质。通过对某中型预应力混凝土跨径梁桥进行各类数据监测，获取关于桥梁健康状态的各种重要参数，并进行数据处理分析进而得出相关结论。在此基础上，本文还分析了一个完整的预应力混凝土桥梁检测系统的工作流程和各环节功能作用，并对相关的管理操作流程提出优化建议。

1 工程概况

某中型预应力混凝土跨径梁桥位于国内南方内陆城市，是城市环路的重要组成部分。其主桥全长为763.56米，并分有左右两幅桥（每幅桥均分有3联）。该桥上部采用预应力混凝土连续箱梁为主体结构，通过现场测绘研究，其联跨度分布为3122cm*3+2978cm*2+2897cm。桥宽共计1650cm，梁高1700cm，且各支点连接处均设置为横梁结构。在材料选取方面，均采用C50标号混凝土，同时各预应力钢束均采用高强度低松钢绞线，采用波纹管制孔。在施工方面，采取分节施工的方式，桥梁概况见图1，桥梁的跨中截面和支点截面分别见图2和图3。

图1 桥梁施工概况

图2 桥梁跨中截面（单位：cm）

图3 桥梁支点截面（单位：cm）

2 健康监测方案

为有效监测该桥梁健康状况，在桥梁建成之后，采取多种方式以实现对桥梁的应变、挠度和温湿度等信息的较精准识别监测。

2.1 应变检测

结合项目实际与普适性，本试验采用振弦式应变监测传感器来测量桥梁的应变情况。之所以未采用光纤传感器等，是考虑到大多采用预应力混凝土结构的各类桥梁普遍为中、小型，后期维护保养预算并不是太充足，而光纤传感器等经济性价比较低。

在试验设计方面，选用桥体第一联中的前三跨（即为00台—01墩—02墩—03墩，见图4）为监测对象，并在这些部位的跨中和支点为传感器埋设处（埋设点位见图5）。

图4 应变监测区间

图5 应变计放置图示

通过在所选区间的每跨径箱梁截面腹板的上、下缘放置应变计，并采用扎丝的方式将其固定在检测部位的钢筋上。在放置完成后，还预留应变传感器的导线，试验共使用48台应变传感器。在布设完应变传感器后，还为温湿度传感器预留了一定空间，以确保后续试验能够顺利进行。

2.2 挠度监测

在挠度监测方面主要使用静力水准计来进行衡量。通过分析静力水准计中不同腔体里面的液面高度差，来判断所测量区域在垂直方向上的位移变化。这种测量方式简单稳定，且便于长期观测。静力水准计的工作原理概图如图6所示。

图6 静力水准计工作原理概图

通过在被测桥体的前三跨的每个跨中截面处设置放置点，并额外设置一处基准点，因此共计使用四台静力水准计。考虑到箱梁中内部空间有限，因而静力水准计采用外挂设计，即放置在每跨箱梁腹板的右外侧且在桥路面之下。静力水准计的固定方式见图7。

图7 静力水准计固定方式

2.3 温、湿度及风力和车流量等监测

温湿度监测方案中，温湿度传感器除放置在被测桥体结构中（放置位置与应变监测相同），还分别于桥梁两侧放置两台温湿度监测箱，用于测量环境温、湿度。

风力检测则是在桥梁路面中心处树立一个风速计和风向标，用于记录风力信息。

车流量信息则主要依靠周边交通数据分析和交管平台公示。

雨雪情况则依据当地气象台纪录。

3 结论分析

通过本试验对中型预应力混凝土跨径梁桥的健康监测分析来看，混凝土的收缩徐变仍是影响预应力混凝土健康情况的主要原因。同时预应力混凝土桥梁还受到桥体结构、路面负载、车流量及温湿度等影响。结合层次分析法及权重分析，得出预应力混凝土桥梁健康因素影响分布（见表1）。

表1 预应力混凝土桥梁健康因素影响分布

经过长期监测分析，该桥梁中预应力混凝土的收缩徐变在前期发展较为快速，尤其是在预应力施加后的29d内应变急速增加，而后则发展较为缓慢。至第834d之后，收缩徐变已基本完成，相关数据变化不再明显。此外，环境温度和负载也对混凝土中的钢筋预应力产生一定影响，同时在较低温度下混凝土徐变速度会相应降低。

在本次试验中，我们还发现虽然预应力混凝土桥梁具有各种独特优势，但由于其自身材质和结构原因，对于混凝土施工工艺和钢筋放置方式等有较高的要求，需要施工人员具有一定的技术基础并严格按照施工方案进行。同时，尽可能保证在桥梁施工过程中，周边的温度、湿度等环境因素较为恒定，以保证混凝土前期的收缩稳定。不同部位所承受的负载有一定区别，这也对桥梁的健康运行产生一定的影响，特别是在后期运行中面临车流量较大、车辆超载等情况，这需要在桥梁设计之初便充分考量。

4 结语

预应力混凝土桥梁施工便捷，同时结构简单稳定、后期维护保养成本较低，得到了较广泛的使用。但针对此类型桥梁的长期健康监测却发展相对缓慢，国内还没有形成较为通用且规范有效的的健康监测标准体系。本文依据国内南方某内陆城市中的中型预应力混凝土跨径梁桥健康监测情况展开分析论证，探究了影响其健康情况的各类因素数据，并运用管理学方法进行权重分析和流程优化建议。最后伴随着国内交通运输事业的进一步发展，预应力混凝土桥梁的相关研究和技术人才储备情况会得到持续优化，这将对于此类桥梁的健康监测和长期稳定运行奠定良好的基础。