桥梁安全监测系统在大型桥梁病害监控上的应用

王晓伟

（沈阳市市政工程设计研究院有限公司，辽宁 沈阳110015）

1 工程概况

沈阳市北一路公铁桥建于2006年，由主桥和东西引桥组成，共27跨，主桥跨越铁路线。桥梁总长1 250 m，其中桥梁结构长961.43 m，东引道长137.85 m，西引道长150.72 m。主桥采用（65.55+110+65.55）m三孔变截面预应力混凝土连续箱梁。

2 安装桥梁安全监测系统的必要性

根据对我国近三十年来修建的主跨60 m至270 m的部分跨度较大P C梁桥的调查结果显示，所调查的所有桥梁均出现了不同程度的裂缝情况，近20 a来修建的预应力混凝土连续梁桥最为严重。对于北一路公铁桥主桥而言，由2016年《沈阳市北一路公铁桥常规检测报告》可知，对于主桥三孔预应力混凝土连续箱梁，其两幅桥各跨箱梁腹板上均存在斜向裂缝，且部分裂缝宽度超限，超过了允许值0.2 mm，裂缝深度超过了钢筋保护层厚度。事实上，桥梁结构出现裂缝后其抗弯刚度会有所降低，这样结构的挠度就会增加，从而加剧了裂缝的进一步发展，由此恶性循环，桥梁的极限承载能力将会逐年降低，对桥梁的安全性和耐久性带来了危害。

由此可见，对于沈阳市北一路公铁桥主桥，其结构的“腹板裂缝宽度”及“竖向最大变形”的发展直接与结构的安全性密切相关。因此，有必要在其主桥上安装一套安全监测系统。

3 桥梁安全监测系统的组成

桥梁安全监测系统遵循统一管理的思路和模式。其硬件方面考虑桥梁结构监测系统工程要紧密结合桥梁实际情况，包括桥梁类型、跨度、受力特点等，并紧密结合相关技术的发展，注重实用性、可靠性、协调性、先进性、可操作性、易维护性、完整性和可宽容性等几个原则。

根据待监测桥梁的结构特点，安全监测系统主要分为传感器子系统，数据采集、数据传输、数据库管理与安全预警四大部分。利用光纤或无线网络作为信息传输平台，将桥梁现场自动化数据采集和控制中心有机地链接为一个分布式的整体；系统基于分布式数据库管理系统和Internet技术，将各部分和监控中心链接为一个整体，用户可远程对系统进行控制、配置，以及获得监测数据。通过长期安全监测与人工巡检相结合的方式，获取桥梁的运营状态信息，分析、评估桥梁的运营状态及安全状况。

4 监测内容

北一路公铁桥主线上部结构均为预应力钢筋混凝土连续箱梁，其典型的病害特征主要表现为下挠过大、腹板易产生裂缝。显然，结构的“竖向最大变形”及“腹板最大裂缝宽度”的发展直接与结构的安全性密切相关。另一方面，桥梁变形也是反应桥梁整体刚度的重要指标，是桥梁结构安全评价的重要依据，与桥梁的承载能力有密切关系；裂缝的发展可导致钢筋的锈蚀，进而影响结构耐久性。因此，将以上两参数作为待监测桥梁的安全监测关键参数（见表1）。

5 测点布设原则

安全监测系统的基本监测功能通过传感器系统来实施。传感器的测点布置决定了系统的功能和效率。基于以上两点，测点布置应遵循以下四个前提原则：

表1 安全监测关键参数表

（1）在进行传感器测点布置时，应通过计算分析优化布点，满足系统的经济性要求。

（2）应从结构特点和实现系统功能的角度出发进行传感器的测点布置。

（3）传感器测点的布置应以把握结构关键部位的设计控制指标和把握结构宏观主量为目标,并结合实际环境条件布置测点。

（4）裂缝测点的布设必须参照检测报告中典型裂缝出现的位置。

北一路公铁桥具体的测点布设位置如图1、图2所示。

图1 裂缝宽度测点布置立面图

图2 竖向变形测点布置立面图

6 在线检测、安全预警

在测点布置完成以后，安全监控系统将实时地将桥梁结构测点位置的裂缝变化数据和挠度变化数据传输给桥梁的管养部门，在裂缝和挠度数据发生异常变化时，又能够及时地进行安全预警。

根据挠度和裂缝的数据，能及时地对桥梁的使用状态进行分析。部分数据反映的桥梁状态情况如下：

（1）不同类型传感器数据之间关联性较好。这表明数据有效性。

（2）关键监测参数跨中，位移和裂缝宽度发展较稳定。这表明桥梁在该监测时段运营状况正常。

（3）随着运营时间的增加，桥梁并未发生较大的纵向位移。这说明桥梁的刚度未降低，桥梁的使用性能较好。

（4）不同时段监测的自振频率较为接近。这说明桥梁的刚度未发生明显的变化。

（5）车辆荷载对桥梁的影响主要表现为瞬时性变化，车辆过桥后，桥梁恢复至初始状态。这说明桥梁处于弹性工作状态。

7 结语

多年来，桥梁结构的安全状况一直是公众特别关心的问题。现代化大型桥梁作为交通主干道的重要节点，对交通运输区域发展具有重大影响。然而，桥梁结构在服役期间，不可避免地要受到自然环境和使用环境的影响，其安全性和使用功能也必然发生退化；此外，由于交通量的不断增加，超载问题日益严重，这也进一步加剧了桥梁结构的功能退化。

为了保证桥梁的运营安全，养护人员通常依靠人工的方法，或是定期对桥梁或路面结构进行巡检，或是在出现特殊情况时再进行检查评估。然而，这种传统的人工检查方法存在一定的滞后性，是一种静态的检查。随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，针对桥梁安全监测的研究与监测系统的开发应运而生。与传统人工检查方法不同，安全监测可以实时监控结构的运营状态，是相对动态的。它主要是指利用现场安装的且对结构安全无损的传感器元件，对结构进行长期的在线监测，并有效地利用监测信息反演结构的状态，识别结构中的损伤。

因此，可长期直观地反映结构的损伤变化，及时客观地评价结构的当前运营状态。此外，当结构在营运状况出现严重异常时，亦可触发安全预警信号，使管理者及时发现问题并采取有效的预防措施。显然，若将桥梁人工检查与安全监测有机结合，可有效地消除现存单一检查或监测方法中的诸多不足，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，降低桥梁运营风险和社会财产损失。