大跨连续刚构桥全寿命监测技术研究及应用

马惠香 李志刚 康建功 黄兰

【摘 要】针对目前施工监控传感器损坏无法更换、运营监测无法监测桥梁恒载、施工监控与运营监测相对独立等问题，在分析大跨连续刚构桥施工监控与运营监测内容、系统等的基础上，利用施工监控与运营监测信息的相关性，提出大跨连续刚构桥全寿命监测技术的理念，并阐述其原理、工作模式及其优势。

【关键词】连续刚构桥；全寿命监测；施工监控；运营监测；相关性

【中图分类号】U446.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）05-0125-02

0 引言

桥梁是国家经济和社会发展的重要基础设施，是一个国家或地区经济实力、科学技术、生产力发展等综合国力的体现。截至2015年年底，我国建成的公路桥梁总数已经达到77.9万座，累计总长度为4 593万m。无论在桥梁总体的数目上还是长度上，都可以堪称是桥梁大国。大跨连续刚构桥由于具有墩梁固结、无需大吨位支座、结构连续变形小、满足行车舒适性高等優点而被广泛使用。然而，随着时代发展，交通工具不断推陈出新，车辆载重量增大，超载重车辆不断出现，加上桥梁在营运过程中未采用科学、合理的养护措施，材料与结构的自然老化、使用环境的变化等因素的共同作用下，使得大量桥梁结构处于亚健康或危险状态。为了能够准确及时地了解桥梁运营的安全性、耐久性和适用性，对桥梁进行全寿命监测具有重要意义。自20世纪90年代起，我国在一些重要的大型桥梁上安装了规模不同的监测系统。针对桥梁监测，尽管已取得较大进展，但依然存在一些问题。

基于此，本文在分析大跨连续刚构桥施工监控与运营监测内容、系统等的基础上，利用施工监控与运营监测信息的联系，提出大跨连续刚构桥全寿命监测技术的理念，并阐述其原理、工作模式及其优势，旨在为同类工程提供参考。

1 大跨连续刚构桥全寿命监测技术

1.1 施工监控与运营监测

桥梁施工监控是在桥梁施工过程中，按照实际施工工况，对桥梁结构的内力和线型进行量测，经过误差分析，继而修正、调整以尽可能达到设计目标，是一个施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程，可以提高桥梁的施工质量、控制桥梁在施工过程及成桥状态的力学行为，把握桥梁竣工质量；桥梁施工监控的内容主要包括成桥理想状态确定、理想施工状态确定和施工适时控制分析等。

桥梁运营监测是通过桥梁结构的工作环境信息，包括环境温度、风荷载和车辆荷载等的变化，获取桥梁结构的响应特征信息，实时掌握桥梁结构的工作状况和运营状况，对工程结构实施损伤检测和识别，通过定期更新数据来估计结构是否有能力继续实现设计功能，以实现对桥梁结构的科学管理、养护、维修及运营决策，为确保桥梁运营安全提供依据。

大跨连续钢构桥施工监控与运营期安全监测的主要内容如下。施工期间监测项目：基础沉降监测、变形监测、应变监测、风荷载监测、温度监测、振动监测；使用期间监测项目：基础沉降监测、变形监测、应变监测、风荷载监测、温湿度监测、地震监测、车辆荷载监测、动力响应监测、支座反力及位移监测。

无论是施工监控还是运营监测，其系统架构基本都包含以下几个部分：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与分析系统、数据库管理系统、结构状况评估系统、用户界面系统。

1.2 全寿命监测技术

结合上述在分析大跨连续刚构桥施工监控与运营监测监测内容、监测系统等的基础上，利用施工监控与运营监测信息的相关性，提出大跨连续刚构桥全寿命监测技术的理念。

1.2.1 施工监控与运营监测的联系

随着监控/监测技术的不断研究和不断完善，目前在很多桥梁上都安装了监控/监测系统。但依然还有很多问题需要完善和解决。例如，建设期的施工监控和运营期的安全监测相互独立，监控/监测信息具有不连续性。目前，大多数桥梁都已建设完毕，为了保证桥梁运营安全，很多都是在已建桥梁上安装运营监测系统，但在已建桥梁上安装运营监测系统，其监测数据并不能真实地反映系统安装前桥梁的状态，只能监测桥梁在车辆、风等荷载作用下的响应，即只能通过活荷载的结构响应对桥梁进行安全评估，忽略了恒载对桥梁的评估，而恒载一般情况下占其总荷载的80%左右，这样势必造成桥梁评估准确性降低。结合上文分析可知，建设期施工监控和运营期安全监测监控有很多相同之处，监控/监测系统基本相同。因此，可利用建设期的施工监控对恒载响应进行监测，利用运营期安全监测对活载响应进行监测，把施工监控和运营监测的传感器结合起来，然后分析施工监控和安全监测数据的相关性，使得桥梁运营期的安全监测能够反映桥梁的实际恒载响应。

1.2.2 全寿命监测技术

大跨连续刚构桥应用的传感器通常可分为埋入式传感器和表贴式传感器，埋入式传感器主要应用于新建桥梁的施工监控，即在混凝土浇筑前预先在桥梁待监测位置或在钢结构吊装前安装传感器，针对混凝土结构或者钢结构在桥梁修建前，这种方式是有效的，能够很好地监测桥梁恒载作用下的结构响应，但是也存在仪器在混凝土浇筑或钢结构吊装时容易损坏等问题。而对于已修建桥梁，只能利用表贴式传感器安装在桥梁表面对其进行监测，但只能监测活载作用下的结构响应。而且随着时间的增长，在恶劣的环境影响下，埋入式传感器在使用期内极易出现损坏，导致大跨连续刚构桥还未出现损伤而监测传感器却已不能使用。针对埋入式传感器在使用过程中无法更换等特点，在同一测点的同一监测项目安装埋入式传感器和表贴式传感器，分析埋入式传感器与表贴式传感器之间的关系，在埋入式传感器损坏后，利用两者之间关系，推导大跨连续刚构桥的运营状态具有重要意义。具体实现方式如下。

（1）在桥梁建设期间，在预定位置安装埋入式传感器，用于监测桥梁施工及后期运营期间状态；并在桥梁建成之后，在埋入式传感器对应的桥梁结构表面安装表贴传感器，用于监测桥梁活载信息。

（2）对采集到的数据进行预处理，如删除错误数据，对温度进行修正等。

（3）建立坐标系，利用处理后的数据进行分析，以时间作为自变量，以埋入式和表贴式传感器监测数据作为因变量，并利用数学方法对埋入式和表贴式监测数据进行相关性分析；建立回归函数模型，利用相关关系曲线拟合，得到埋入式和表贴式监测数据相关性函数。

（4）对拟合的相关性函数利用数学方法对精度进行检验和对相关系数进行敏感性分析。

（5）在埋入式传感器损坏后利用表贴式传感器的时间—应力曲线和相关性函数反推桥梁在运营期的应力—时间关系曲线。

2 结语

本文在分析大跨连续刚构桥施工监控与运营监测内容、系统等基础上，利用施工监控与运营监测信息的相关性，提出大跨连续刚构桥全寿命监测技术的理念，并阐述其原理、工作模式及其优势，旨在为同类工程提供参考。

参 考 文 献

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[责任编辑：陈泽琦]