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隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國公路橋梁建設(shè)取得了令人矚目的巨大成就。但是由于外界環(huán)境等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)損傷積累和抗力衰減。如何及時、準(zhǔn)確地掌握橋梁的健康狀況，越來越引起人們的關(guān)注。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的作用是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，分析評估橋梁的使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護、維修與管理決策提供科學(xué)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞 橋梁；健康監(jiān)測；傳感器；應(yīng)用
當(dāng)前，我國公路橋梁數(shù)量已達(dá)到世界前列，在取得公路橋梁建設(shè)輝煌成績的同時，由于橋梁形式各異，結(jié)構(gòu)不一，服役時間不同，給橋梁養(yǎng)護帶來很大難度。加快橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，隨時掌握橋梁技術(shù)狀況，能夠有效保障橋梁的使用安全。
1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述
1.1 結(jié)構(gòu)體系
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)、安全評估系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)組成。
根據(jù)每座橋梁自身結(jié)構(gòu)特點，分析結(jié)構(gòu)受力特性、傳力途徑、薄弱環(huán)節(jié)、重點結(jié)構(gòu)部位和關(guān)鍵控制點等。按照測點的分布區(qū)域進行健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)置。
1.2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)
1）獲取結(jié)構(gòu)特征信息，實時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。2）監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能和關(guān)鍵部位的局部損傷，為結(jié)構(gòu)維修提供依據(jù)。
3）評價橋梁承受動、靜載的能力和結(jié)構(gòu)可靠性，為運營決策和管理提供依據(jù)。

4）驗證橋梁設(shè)計理論與方法，為修正類似橋梁設(shè)計理論與方法和修訂規(guī)范提供依據(jù)。
2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)包括監(jiān)測內(nèi)容與測點布設(shè)的確定，傳感器及其通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)等。
監(jiān)測系統(tǒng)包括實時監(jiān)測和定期檢測兩大項工作內(nèi)容。
實時監(jiān)測內(nèi)容。橋梁工作環(huán)境監(jiān)測包括：環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)速、日照等。橋梁運營情況的監(jiān)測包括：通行車輛車型、車輛荷載，行車速度等。橋梁結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測包括：梁（拱）端部的位移（縱橋向與橫橋向）、梁（拱）跨中豎向位移（撓度），橋梁結(jié)構(gòu)各類受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)等，橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性。
在對橋梁多種物理、力學(xué)量進行實時、定期監(jiān)測時，綜合考慮橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和養(yǎng)護管理系統(tǒng)的特點，發(fā)揮二者不同場合中的優(yōu)點，能夠真正做到健康監(jiān)測服務(wù)于橋梁的養(yǎng)護管理。
3 應(yīng)用實例
某公鐵立交橋橋是上跨京廣鐵路的一座重要橋梁，1997年建成通車，全長670 m，主跨30 m，其他各跨20 m，為簡支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，蓋梁上設(shè)板式橡膠制作。2007年4月，一輛二百多噸的重載車輛夜間通行時，造成該橋主跨相接的兩跨個別空心板斷裂，交通中斷。隨后公路部門迅速搶修，恢復(fù)通車。然而幾個月后，2007年12月該橋主跨橋面又出現(xiàn)了數(shù)條縱向裂縫，橋面向下?lián)锨冃蚊黠@，在兩端的支座處，也出現(xiàn)明顯的橫橋向裂縫；而且板縫間混凝土脫落，造成整橋橋間橫向連接不足，形成單板受力，進而破壞了橋面鋪裝層，板縫間滲水嚴(yán)重，板底有白色析出物，堿化現(xiàn)象明顯。
公路部門在對該橋限制通行的同時，對該橋進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和承載能力檢測。主要依靠動態(tài)法測試和承載力計算分析方法進行，通過測量橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)來反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀況及整體性指標(biāo)。
3.1 監(jiān)測項目
1）利用有限元程序分析空心板梁結(jié)構(gòu)的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型等）。2）測定脈動荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型等），以檢驗空心板的現(xiàn)有強度和剛度。3）評估空心板結(jié)構(gòu)實際達(dá)到的工作性能，為后續(xù)的加固和改建決策提供科學(xué)
依據(jù)。
3.2 實施步驟
1）借助有限元程序分析空心板梁結(jié)構(gòu)的動力特性。2）現(xiàn)場實測空心板梁結(jié)構(gòu)的動力性能，包括控制截面（跨中及1/4跨）的振動時程曲線。3）對空心板結(jié)構(gòu)的實際工作性能進行客觀的評價。
3.3 主要儀器設(shè)備
動測法所用主要設(shè)備是一套動態(tài)數(shù)據(jù)采集、放大和分析系統(tǒng)，配合拾振器工作。
3.4 測點布置
主要通過在橋梁頂面布設(shè)拾振器，主要包括：跨中、1/4跨及3/4跨截面，測出結(jié)構(gòu)振動參數(shù)，并繪制主要界面的位移和加速度時程曲線。
3.5 測定方法
通過對橋梁實時監(jiān)測，測定橋梁動力特性，并據(jù)此對橋梁承載力狀況和運營狀況進行判斷。該橋的動力特性試主要測試其固有頻率，通過測量第一階段自振頻率fm1，并與新建初期測得的第一階自振頻率或理論計算頻率fd1相比，從而判斷橋梁所處的技術(shù)狀態(tài)。主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)的加速度信號，測試時每個測點分別采樣，采樣頻率200 Hz。每次采集記錄時間不少于30 s，各拾振器用橡皮泥固定在結(jié)構(gòu)上。
3.6 頻率計算結(jié)果
本橋結(jié)構(gòu)為簡支空心板橋，橋面連續(xù)，邊界條件分別采用三種彈簧模擬，根據(jù)板式橡膠支座的特點，豎向彈簧剛度K1取1.7×106 kN/m，水平彈簧剛度K3取5 000 kN/m，橋面連續(xù)處水平彈簧港督K2取無窮大。頻率計算結(jié)果，一階頻率為3.709 Hz。
3.7 頻率識別結(jié)果與計算結(jié)果對比分析實測結(jié)果為3.369 Hz。 ，可知空心板的技術(shù)狀況處于橋梁評定標(biāo)準(zhǔn)的四類橋梁，屬較差的狀態(tài)。
3.8 主要結(jié)論
1）剛度降低的結(jié)果表明：在長期運營過程中，由于超載車輛的影響，空心板已出現(xiàn)了豎向裂縫，導(dǎo)致截面有效高度降低所致。加之橋梁已出現(xiàn)了單板受力的不利現(xiàn)象，整體剛度嚴(yán)重不足，所以車輛通過時在橋上明顯感覺到強烈振動。2）承載能力和變形檢算結(jié)果表明：在單板受力情況下，現(xiàn)有空心板承載能力不足，當(dāng)55噸重車超載27 ％時，即達(dá)到空心板極限承載能力。進一步超載的話，會導(dǎo)致空心板的斷裂和坍塌。3）結(jié)合承載能力和變形分析、動態(tài)測試結(jié)果，根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，判定該橋設(shè)計承載能力的安全度不高、空心板的剛度降低較多（大于10 ％），出現(xiàn)了嚴(yán)重的功能性病害，結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和動力響應(yīng)不能達(dá)到平時交通安全通行的要求，特別是行車時震動過大，車輛和行人有強烈的不安全感。基于上述分析，依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11-2004）關(guān)于橋梁技術(shù)狀況的評定原則，該橋的技術(shù)狀況評定為四類，需進行改建或者加固處理。
4 結(jié)束語
建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能對運營階段的橋梁受力狀態(tài)及所受荷載和工作環(huán)境進行實時監(jiān)測，并利用監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測狀況，評價橋梁結(jié)構(gòu)承受靜、動態(tài)荷載的能力和結(jié)構(gòu)的安全可靠性，為橋梁的日常維護和運營管理提供科學(xué)依據(jù)。
參考文獻
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