大跨度桥梁运营期监测技术研究

唐 颖

目前，国内外已经或正在兴建许多不同类型的大跨度桥梁。大跨度桥梁以柔和轻为主要特点，对反复作用的交通荷载、脉动风荷载等较为敏感，局部构件易产生疲劳失效等病害，若不及早侦查和修复，会给后期维护加固带来很大麻烦，甚至会导致整体桥梁安全事故。为了解大跨度桥梁结构在运营期的结构健康状况变化和评估其安全使用性能，桥梁工程师在许多大跨度桥梁上引入系统化的健康监测与评估技术。

1 监测依据与内容

桥梁结构的健康监测和安全评估应与桥梁结构的设计承载能力和极限状态相关。我国JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范明确了公路桥涵应进行承载能力极限状态(Ultimate Limite State，ULS)和正常使用极限状态设计(Service Limite State，SLS)，故应将两种极限状态作为桥梁健康监测与评估工作的法理依据。因此，传感器和其相关设备的设计监测范围应在SLS的变化幅度之内，而ULS荷载指标则用于结构安全评估时作为构件的损伤或失效状况的参考指标[1，2]。因此，若 σm为监测结果，而 σSLS为正常使用极限状态指标。

2 监测技术

2.1 风速风向监测

实时监测桥址处风速和风向的变化情况，掌握桥梁处风特征和桥梁风荷载，记录和分析平均风速、风向、紊流强度、风谱。为分析桥梁的工作环境、评价行车安全、验证桥梁风振理论提供依据，并研究大桥在极限风环境下的工作状况。桥梁监测中风速仪一般分超声波和机械式两种类型，其特性对比如表1所示。

表1 风速仪对比

大跨度桥梁一般在主梁和索塔上布设风速风向仪。主梁上的风速由于需要监测三个方向，故采用三维风速风向仪，三维风速风向仪可选用三维超声风速仪，也可通过二维水平机械式和一维竖向机械式进行组合。索塔上采用二维风速风向仪监测水平方向风速风向。

2.2 温度监测

温度变化是大跨度桥梁的重要作用源之一，常引起大的变形和桥梁线形的改变，是监测的重要内容。长期监测中目前常采用光纤光栅温度传感器，具有可分布式测量、耐久性好等优点，但其价格昂贵，且由于封装和安装原因直接测试结构温度精度不高。武汉桥科院基于数字化温度传感器开发了一线总线温度测试系统。该温度测试系统由于采用数字信号采集传输，数据不会失真，提高了系统的稳定性和抗干扰性，同时大大减少了系统的电缆数，更保证了温度测量的同步性，且感温元件的制作精度高，传感器也无须另外标定。通过多座实桥测试的实践检验，该温度测试方法具有精度高、性能稳定、测试方便快捷等优点。

2.3 车辆荷载监测

动态称重是在汽车的运动状态下称出汽车的重量。

鉴于用户需求和现行技术状况，1990年德克萨斯大学起草了ASTM E1318标准并通过美国试验及材料协会(ASTM)标准委员认定[3，4]。从传感元件角度出发对它们加以分类，可分为压电式、电容式、应变式。关于压电式，压电材料灵敏度随时间有些变化、需经常标定、速度低时误差较大;关于电容式，长时间使用后电容器内填充介质易变形，需重新校正;关于应变式，易受电磁干扰，对路面损耗大、高速精度不高、价格高。桥梁健康监测称重仪主要用于交通数据的采集，属于ASTM E1318标准的Ⅰ类，对测试精度要求不高。综合比较各类型称重传感器的特点，建议在车辆运行比较缓慢的城市桥梁监测中宜采用应变式的弯板称重仪，而高速公路桥梁则可以考虑选择压电薄膜等称重传感器。

2.4 变形监测

位移测量与结构安全直接相关，位移反映结构的整体特征。桥梁挠度是监测的一项重要内容，以确保桥梁具有足够的刚度。

一般而言，为了能监测到桥梁的挠度，需要在桥梁的不同部位安装合适的传感器。目前测试仪器按其工作原理可分为机械测试仪器，如百分表、千分表、张线式位移和挠度计等。近年来涌现了一些新型挠度测量方法，如光电成像法、倾角仪、GPS、激光图像法、连通管法等。这些方法与传统的方法相比，有很大的改进，且有的能够实现桥梁挠度的实时监测。目前在监测中常用GPS和连通管的方式进行监测。GPS能够实现桥梁动态实时、自动测量。但是其精度不高，不能满足中小跨度桥梁监测的要求，一般用于大跨度变形较大的桥梁，且不能很好的监测桥面板以下墩的位移(如支座沉陷)。因此使用有一定的限制性，且价格过于昂贵。连通管法是将面积相对较大的容器放置在桥墩固定不变的位置上，连通管连接主梁中若干挠度计。当桥梁在某点发生竖向变形Δh时，安置在该点的挠度计也随之在竖直方向下移Δh。测量精度可以达到1 mm，在阳逻长江大桥就使用了这个挠度监测系统。

2.5 应力监测

传统上，桥梁结构应力应变测量所采用的技术模式基本都是通过敏感元件(如电阻应变片、基于钢弦的振弦式应变计)将被测量转换成电学量，再通过专用的电学量测量仪器(如数据采集器)记录数据(测量结果)。这种模式的测量系统优点是有较高的灵敏度，且硬件成本相对较低。但这种由电学量测量原理构成的测量系统，存在零点漂移不易消除，模拟信号易受电磁环境干扰，硬件系统比较脆弱等问题，仪器设计研制人员需要花费大量的研究成本解决这些固有问题[5]。尤其是在桥梁长期监测领域，在对长期监测资料分析处理时，难以区分损伤前后结构异常和环境干扰。因此寻找新的应力应变测量方法就显得更有意义。

2.6 索力监测

目前已经发展起来的索力监测技术主要有5种:压力表法、测力环法、频谱法、磁通量法以及光纤传感技术。中铁大桥局武汉桥科院对光纤Bargg光栅应变传感技术做了深入的研究和分析，特别是从桥梁拉索长期监测的角度，创新性地提出光纤光栅测力环及索力监测系统的设计方法，研制出新型的光纤光栅测力环[6]。有关的结构试验和工程应用表明:研制的测力环及索力监测系统，具有抗干扰能力强、灵敏度高、精度高、长期稳定性好的优点，非常适合用于大型桥梁拉索受力状态的长期监测，具有广阔的应用前景。

3 总结与展望

大跨度桥梁运营期监测技术研究目前仍然处于探索阶段，需要多学科的进一步交叉与发展，基本实现大型桥梁长期监测，自动、经济、不妨碍交通的要求，尚有许多问题有待研究。长期监测技术的最终成功应用，其在结构安全(对地震，强风等强烈自然灾害后结构的状态进行快速和有效的评估，为维修决策提供依据)，延长结构使用寿命(提早发现不定时的损伤累积，为有效遏制事态严重化提供保障)和科学探索(揭示在自然环境中真实的结构响应以验证现有桥梁理论)等方面将产生重大的技术变革。

[1] 黄启远.大跨度桥梁的结构健康监测和结构安全评估[A].二省二特区特大型桥梁学术交流会[C].2009.

[2] Xu Y L.Making Good Use of Structual Health Monitoring Systems:Hong Kong's Experience.Structual Disaster Prevention，Monitoring and Control:Hongnan LI&Tinghua YI.

[3] 罗晓光，任伟新.光纤光栅高速称重系统的研发[D].长沙:中南大学硕士论文，2009.

[4] ASTM.Committee.Standard specification for Highway weightin-motion(WIM)systems with user Requirements and Test Method.1995 Annual book of ASTM standards volume，04，03 ，wad and paving materials paving management technologies，1995.

[5] 钟继卫，李星新.贵州坝陵河大桥运营安全监测系统总体设计报告[R].中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院科研报告，2009.

[6] 汪正兴，李星新.光纤光栅压力环研制及拉索索力测试与疲劳分析系统[R].中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院科研报告，2008.

[7] 刘国军，冯 晓，王 月.桥梁检测的数据采集和处理技术研究[J].山西建筑，2008，34(7):321-322.