重庆中小桥梁结构监测的特点及实践探索

文/重庆市公路局 王庆珍

重庆长江大桥复线桥

重庆作为内陆西南、长江上游地区的唯一直辖市，由于桥梁数量众多、技术水平高及桥梁结构型式多样化，被称为中国“桥都”。其中，重庆万州长江大桥曾保持了跨径最大的公路钢筋混凝土拱桥，重庆长江大桥复线桥曾保持了跨径最大的连续刚构桥等世界纪录。重庆市普通公路桥梁约有九千多座，其中中小桥梁占绝大多数，主要结构为各类型的梁桥和拱桥。

在役中小跨桥梁在荷载长期作用、环境侵蚀、材料老化等因素的共同作用下，将不可避免地出现结构损伤和承载能力衰减。如何保证数量庞大的中小跨梁桥运行安全，是桥梁管养部门面临的重要难题。通过安装桥梁结构监测系统，可以实现长期在线监测桥梁病害发生和发展情况，及时了解桥梁的安全状态，获知桥梁的结构损伤情况，以便积极采取措施，更好地保障桥梁的安全运行。

近年来，为弥补桥梁传统检查方法的不足，结构监测在中小跨混凝土梁桥中的应用越来越多。但是，目前国内外关于桥梁监测的科学研究、技术规范和工程实践主要集中在特大跨径桥梁领域，对中小跨径桥梁安全与结构监测的实践及经验还比较少。

中小桥梁结构监测体系的特点

由于结构重要性及桥梁规模等原因，中小桥梁结构监测系统应有别于大桥，在系统设计时，不应追求“高、大、全”，而应遵循“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针对性。在桥梁结构监测系统设计时应考虑到投资额度的影响，设计时必须对监测系统方案开展成本、效率分析，最优化地选择监测的硬件与系统框架，设计出经济合理、稳定可靠的健康（安全）监测系统。

更重要的是应结合中小跨桥梁实际病害特点，针对主要安全隐患进行针对性地监测，不一定进行全面参数的监测。根据桥梁的结构特点及受力特点，中小桥结构监测系统一般包括应变监测系统、挠度监测系统、温湿度监测系统、裂缝监测系统及相应配套系统，即主要的监测项目主要包括桥梁应力应变监测、桥梁挠度监测、桥梁温度监测、桥梁裂缝监测。

表1 重庆某公路常见中小桥的恒活载比例

表2 活载作用下的中小桥梁跨中截面挠度、应变值

中小桥梁恒活载比关系及对结构监测的影响

桥梁结构监测的主要对象，是桥面通行的活载及其作用效应，并据此判断桥梁的健康状态，中小跨桥梁与大跨径桥梁在这方面有显著差异。本文选取了重庆某公路上较有代表性的多座中小跨径简支梁桥进行恒活载比例研究，其主梁截面形式为空心板、T梁，基本涵盖了重庆地区现有公路最常见的中小跨径桥梁桥型。

基于有限元计算模型，提取各样本桥梁跨中位置的恒、活载弯矩值，考虑结构设计时荷载组合情况，分别计算在标准作用组合下（各作用组合系数均取1.0）活载效应占恒、活载总效应的比例，记为1。计算样本桥梁的活载占比结果如表1所示。

如表1所示，该公路上常见的中小跨桥梁活载效应占比很高，常见跨径下的活载效应占比约40%至50%，活载占比随跨径的增大有逐步减小的明显趋势。而大跨径桥梁由于自重占总荷载的比例较大，往往达80%至90%以上，活载仅占总效应的10%左右。相比之下，中小跨桥梁活载占总荷载效应的比例远大于大跨度桥梁。因此，中小跨桥梁结构监测中，活载效应将占有非常重要的位置，这一点与大跨径桥梁明显不同。对该类桥的结构监测及运行安全状态评估应充分考虑活载响应的监测结果。

如表2所示，样本桥梁分析结果显示，由活载效应引起的中小跨桥梁下缘拉应变变化的绝对量和相对值均非常大，远大于一般的大跨径桥梁；挠度的量值变化也较大。

结合工程实际应用，采用采样频率高的动态监测系统及配套传感器，可以保证实际监测数据的完整性，能捕捉到活载引起的各类应变、挠度效应，有利于进行桥梁运行状态的评判。因此，对中小梁桥应变（应力）、挠度监测采用动态监测的意义较大。

图1 重庆万州长江大桥

图2 春天门大桥立面照片

图3 春天门大桥伸缩缝间隙

图4 罗家坝桥立面照片

中小跨桥梁结构监测实例与分析

春天门桥

春天门桥位于重庆市巴南区县道235线双清路290米处，该桥为预应力混凝土连续梁桥，全长380米，桥面全宽12米，横向布置为0.5米（栏杆）+11米（行车道）+0.5米（栏杆）；全桥跨径组合为9×40.0米。桥梁上部结构为预应力混凝土T梁，横桥向布置5片；下部结构为浆砌块石重力式桥台，扩大基础，柱式桥墩，桩基础；全桥共设置3道伸缩缝。

由于在桥梁定期检查中发现桥墩、支座、伸缩缝存在倾斜、位移偏大的问题，春天门桥结构监测主要针对车辆通行期间的桥墩位移、伸缩缝变化等。

结构监测系统于2017年8月份安装完毕投入使用，至11月下旬后，4条伸缩缝宽度不断报警，如图3所示，其报警级别不断提升，由黄色、橙色，上升到局部红色。桥梁横向变形也有所发展，监测显示第一、二联伸缩缝处上部结构发生横向位移，最大横向变形达到7.2厘米。经过检测单位现场核实，发现桥梁各支座普遍存在滑移病害，个别支座损坏，滑移量超标；部分墩柱倾斜范围超标。该桥现场核实的情况与结构监测结果一致，根据病害实际情况，该桥已确认属于五类危桥，并组织进行封闭加固。该桥针对性的结构监测系统有力地支持了桥梁的管养工作，避免了通车情况下异常事故的发生。

表3 罗家坝桥结构监测系统组成

图5 罗家坝桥监测系统测点布置立面图

图6 罗家坝桥跨中截面应变传感器测点布置

图7 罗家坝桥跨中截面挠度传感器测点布置

图8 罗家坝桥ND12-1传感器由活载引起的挠度效应（采样频率1Hz，时长12h）

图9 罗家坝桥ND12-1传感器由活载引起的挠度效应（采样频率1H z，时长11min）

图10 结构变形效应局部放大示意

罗家坝桥

重庆市沙坪坝区罗家坝桥为单跨50米简支T梁桥，其结构监测系统组成如表3及图5所示；应变、挠度传感器布置断面图，如图6、图7所示；结构监测数据采用动态采集、典型数据，如下图8、图9所示。

由图8可见半天内活载引起的较大变形值约10毫米，该量值对于该桥结构不可忽视，需进一步关注。

由图9、图10可见，4片主梁变形的差异，其横向受力的区别，绿、紫、红、蓝分别代表1#-4#T梁，其变形响应规律与T梁横向分布规律一致。

如图9、图10所示，基于动态监测系统，从分离后的活载效应得出桥面通行车辆引起的变形情况，据此可以了解桥面荷载的近似大小及其是否超限。查看原始数据可知，每次局部突变变形出现的时间基本都在3秒至5秒之间，与车辆以每小时30公里至50公里速度通过罗家坝桥的时间相符。期间活载引起的应变超过50ue，应力约2兆帕，量值较大，说明动态采集能够有效掌握活载引起的拉应力，对于评价桥梁通行活载及其健康状况有较大作用。

中小桥梁结构监测系统应具有针对性、适用性、可靠性和经济性的特点，其中对应变（应力）、挠度监测采用动态监测的必要性较大；在活载响应比例上明显大于大跨径桥梁，常见中小跨范围其活载比例在50%左右，且随跨径的增大而减小。针对中小桥梁，建议使用动态监测系统，其监测结果完整性较好，能有效掌握活载效应的范围及其对结构的影响，对桥梁监测评价及运营管理具有积极意义。