中小型混凝土梁桥安全监测综述

2017-07-20

四川水泥 2017年6期

关键词：小桥跨径挠度

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400074）

中小型混凝土梁桥安全监测综述

屈浩然

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400074）

我国中小桥梁众多，由于结构老化，车辆超载等因素使得中小桥面临着严峻的运营安全问题。为了保证运营安全以及延长服役寿命，有必要对在役中小桥进行安全监测。本文对在役中小桥安全监测的必要性及监测参数、监测位置和常用监测仪器进行了介绍。

安全监测；监测参数；传感器

1 概述

我国中小跨桥梁数量在桥梁总数中占有绝大多数，其安全状况直接影响着交通运输的顺畅及安全。

在役中小跨桥梁在环境、材料老化及荷载长期作用下，桥梁结构会出现不同程度的损伤。随着近年来公路上通行车辆数量及轴重的日益增加，重超载问题严重，桥梁损伤速度加快，桥梁出现超预期病害甚至垮塌的事件越来越多，安全性问题尤为突出。

由于经费投入限制及超载车辆影响，数量庞大的中小跨桥梁检查养护工作难以满足要求，众多的中小型桥梁存在着较严重的安全隐患。

目前对中小桥通常采用人工定期检查方法，周期一般为两到三年，检测桥梁的损伤情况评估桥梁的安全状态。受人员情况、现场条件、观察周期的限制，仅依靠这种方法存在一定隐患。

长期在线监测可以实时、全面掌握桥梁的健康状态，为了解桥梁随时间等因素影响的变化过程积累重要数据。中小桥梁健康监测系统应该具有适用性、可靠性和经济性的特点。

1.1适用性

根据中小跨梁桥的结构特点，通过结构力学和有限元建模分析计算选取关键截面和关键参数进行安全监测，建立简洁明确的分析评估系统，使桥梁一线的管理维护工作人员快捷地辨别桥梁的安全状态。

1.2可靠性

中小跨梁式桥所处的自然环境复杂，因此安全监测中所采用的数据采集元件和设备除应满足精度外，还应具有良好的稳定和耐久性。

1.3经济性

中小跨径桥梁其造价较低，因此中小跨径桥梁健康监测系统的经济性显得尤为重要。在满足监测功能性要求的前提下，尽量采用经济的仪器设备，对测点的布设、数据的采集、传输、存储及分析进行优化。

2 中小桥主要监测参数

中小桥健康监测系统有别于大桥健康监测系统，在设计时应遵循“因地而异、因桥而异、经济合理、稳定可靠”的原则。不同地理位置的桥梁因桥址处环境不同，需要监测的环境参数不同，不同结构形式的桥梁监测内容也应有所不同，并且在进行桥梁健康监测系统设计时应考虑到投资额度的影响，最优化地选择监测的硬件系统，设计出经济合理、稳定可靠的安全监测系统。

中小型梁式桥的安全监测内容可分为作用监测和结构响应监测，根据中小桥梁的重要程度和安全状态。其中作用监测必选监测项目为车辆荷载及环境温度，地震作用作为可选项；结构响应监测一般把应力、挠度、振动和伸缩缝的变位作为必选监测项，桥梁的几何线形、支座反力作为可选项。

3 中小桥主要监测截面位置

根据监测系统的功能要求以及效益成本分析,通过计算分析得出不同截面位置对监测内容的回应敏感度，最优化地确定所需的监测项目、测点位置及数量。

中小跨梁式桥不同监测内容的监测截面如下表所示。

表1 中小跨梁式桥主要监测截面位置

4 中小型梁桥安全监测仪器的选择

根据中小桥梁的结构特性、所处环境及资金许可,结合其监测项目、监测内容以及监测位置，综合必选确定使用的传感器或测量仪器。

4.1应力与应变监测

应力与应变是反映荷载作用下桥梁局部受力与损伤情况的指标。通过监测关键截面，得到监测点的应力或应变。进而通过应力或应变的变化评估桥梁结构的损伤程度和安全状态。

对中小型桥梁进行实时的应力或应变的监测，使用最多的是振弦试传感器、光纤光栅传感器和电阻应变片。

其中振弦式传感器采用振弦理论设计制造,灵敏度及精度较高,稳定性较好,耐恶劣环境能力强。常用的JMZX-215型应变计，应变量程±1500με，精度2.5%F.S，测量标距157mm，且价格相对低廉，适合预算有限的中小桥梁长期监测。

4.2挠度监测

挠度是评估中小桥梁安全状态的关键参数。桥梁的竖向挠度,反映其整体刚度,利用监测中小桥挠度的变化判断出桥梁当前的安全状态。

常用挠度的量测方法有百分表测量法、静力水准仪测量法、全站仪测量法、连通管测量法等方法。

中小跨径桥梁可以使用静力水准仪法进行挠度监测。利用连通的管道中的液体，在重力作用下，不同的位置液面高度一致。多个静力水准仪通过管道连接，当某个测点的垂直位移发生变化时，静力水准仪的液面高度也会发生变化，通过监测其变化值，可以得到各监测点桥梁的竖向挠度变化。此方法具有准确性好、精度高、耐久及稳定性都好等特点，能够适应中小桥难度的长期监测。

4.3裂缝监测

中小型混凝土桥梁裂缝的出现和发展会直接导致桥梁的使用性能退化和其他病害的产生。因此裂缝也是中小跨混凝土桥梁安全监测的基本参数之一。

混凝土裂缝监测方法主要有：振弦式表面型裂缝计、光纤光栅裂缝监测方法、图像监测方法、SMA裂缝监测方法和机敏网裂缝监测方法等。

中小桥梁考虑经济性、操作方便性和安全性，对于已有桥梁裂缝宽度监测推荐采用振弦式表面安装型裂缝计。

VWD型振弦式测缝计可以测量0～20mm宽度范围的裂缝，灵敏度≤0.01k/（mm/F），测量精度±0.1%F.S，常用于混凝土裂缝的长期监测。裂缝的出现和发展会引起位移计位移的变化，进而引起测缝计振动频率的变化。频率信号被传输至数据读取装置，即可测出被测裂缝的宽度。

4.4温度监测

目前应用于桥梁监测的振动传感器主要有压电式振动传感器、电容式MEMS振动传感器、电感式振动传感器等。

压电振动传感器抗磁场干扰能力差，电容式MEMS振动度传感器寿命短、灵敏度低，电感式振动传感器对温度敏感会引起导磁率发生变化，使线圈磁场发生温度漂移，均难以满足桥梁结构长期监测的要求。

光纤光栅振动传感器频率测量范围、温度适应范围和可靠性等方面均满足桥梁振动监测的基本需求，并且外形结构简单，易于安装，具有良好的长期稳定性，是桥梁振动监测最常用传感器。