大跨度梁桥结构健康监测及其影响因素探究

仝 瑶

华北水利水电大学，河南 郑州 450000

0 引言

随着结构健康监测概念的提出，基础设施运营期安全性评估引起人们的广泛关注。近年来我国经济飞速发展，基础设施趋于完善，交通运输需求的增加使得健康监测系统逐渐被应用到道路、桥梁和隧道等基础设施上，对保证国家经济发展快速发展和国民的生命财产安全都有着重要作用。因此，为了保证桥梁结构在运行过程中的安全性，对桥梁运营过程的服役状态进行安全健康监测是十分必要的［1］。通过提前将可能发生的结构损伤进行维护和修复，可以起到提前预防的作用，不管从结构本身安全，还是维护成本都具有重大意义。本文主要介绍了从应变与挠度监测、振动频率监测与温度和湿度监测三个方面进行桥梁结构健康监测。

1 应变与挠度监测

结构变形是最能直接反映出桥梁运营期间受力状况的指标之一，将直接反映出桥梁的承载能力和结构刚度。挠度是结构在外部荷载作用下的竖向变形，表现了结构空间坐标的位置变化。因此，大跨径钢筋混凝土梁桥的应变和挠度监测对桥梁健康监测至关重要。

电阻应变片是专门用于应变测量的电子仪器，具有价格低廉、装拆方便、操作便捷等特点，是目前实际工程中最常见测量应变的仪器之一。它的作用机理是通过电阻丝的阻值变化和金属丝的变形情况，将一些力学特性（载荷、应力、压力值等）转化为与之对应成比例的电学数值。

在进行测量结构应变之前，首先需要将桥梁的荷载类型大致分为恒定荷载（自重）、活荷载（车辆、行人荷载）和随机荷载（温度效应）［2］，通过电阻应变片的使用，对桥梁受力较为集中的部位应变进行监测实时检测，从而做到对桥梁主梁的空间位置变化和受力状态进行监测［3］。监测点应设置在构件受力最复杂和局部变形最明显的部位。一般情况下，应变与挠度监测点的选取依据如下：

（1）由构件受力特点确定控制节点。通常主梁跨中位置是变形最大的点，所以在这些位置都应设置应变与挠度监测点；

（2）应与不同桥型的桥梁设计参数相匹配。由于结构变形特征不同，需要根据具体的内部状态和外部环境确定控制节点和监测需求。

2 振动频率监测

结构健康监测系统相当于桥梁的“听诊器”，是影响结构健康监测的重要因素。加速度传感器是用于测量物体加速度的最常见的仪器之一，通常被用作桥梁结构的振动频率测量。

理论上，传感器数量越多，收集到的信号也就越完善，但实际工程中出于成本和造价的考虑［4］，传感器数量往往十分有限，所以如何高效地对有限的传感器进行优化布置，将直接影响信号收集的准确性与完备性，进而影响桥梁健康状态的准确评估。在加速度传感器优化布置方面，根据不同的结构类型复杂程度不同，加速度传感器也有相应的优化布置：

（1）结构各阶模态向量之间要求不相关，即模态间相互正交，若实际操作中无法完全将理论指导应用于实际结构，应尽量满足模态正交要求；

（2）根据结构本身静力特性分析后确定，对各阶模态下的位移进行动力特性分析，根据应变数据，相应确定传感器的安置位置；

（3）视温湿度传感器和应力应变片的具体位置而定。

3 温度和湿度监测

桥梁的温度和湿度，因大气温度变化、太阳日照强度、季节变化等因素的变化而变化，由于主要构件的温度变形和温度应变，尤其是大跨度钢筋混凝土梁桥的跨度较大且受力形式复杂（多次超静定结构），不同的温度变化会引起大小不一的温度应力，导致构件出现裂缝，温度差异过大时甚至会出现温度应力大于结构应力的现象，对桥梁工作状态造成十分严重的影响［5］。综合以上分析，温度和湿度监测是影响桥梁健康的重要因素，对桥梁安全性至关重要。所以应从测量精度、稳定性、可靠度及普适性等方面，选择合适的温度和湿度传感器［6］。具体布置位置应按照以下原则：

（1）为获取较为敏感监测数据，应尽量选取温度和湿度差异大、梯度层次显著的位置，均布设温度和湿度传感器，并尽量反应结构横向、纵向和竖向的温度和湿度变化规律。

（2）对于单个重要构件，需要对受力形式复杂的关键节点进行温度和湿度监测，传感器布置点依然按照前述需求的位置。

（3）由于桥梁服役期间所处的温度和湿度环境较为复杂，所以应选取较为关键主梁、桥墩等主要受力构件设置多个温度和湿度测点，从整体上分析温度和湿度变化对桥梁结构的影响。

4 结语

近年来，由于结构老化、材料徐变、钢筋锈蚀等原因，桥梁安全事故频繁发生，因此对桥梁进行结构健康监测与实时评估，尤其是大跨度钢筋混凝土梁桥，具有重要现实意义。本文首先从应变与挠度、振动频率与温度和湿度这三个方面，对钢筋混凝土梁桥的结构健康影响因素进行分析，并介绍了不同测量元件的作用机理和适用环境，然后对仪器使用方法进行简要概括，最后给出各个测量元件的布置准则，对大跨度钢筋混凝土梁桥的结构健康检测具有重要的指导意义。