基于轻量化监测的桥梁加固改造后评估方法研究

徐衍亮

(南京市公路事业发展中心，江苏 南京 210014)

0 引言

桥梁既是土木工程领域重要的基础设施，也是公路体系中关键的节点工程。截至2021 年年末，我国公路桥梁96.11 万座、共7380.21 万米，比上年末分别增加4.84 万座、751.66 万米。我国桥梁建设规模快速发展的同时，已建成桥梁的服役年限也不断增长，服役年限不断增加意味着桥梁会由于材料性能退化等因素，导致出现各类病害、安全性风险。对于病害较为严重的桥梁，有针对性地进行加固改造对其持续健康运营起着极为重要的作用。虽然国内外一些学者对桥梁加固进行了大量研究，但主要是关于技术的研究[1-4]。

桥梁加固效果受到施工条件、修复材料等因素影响。相关学者基于此做了大量的工作。王建民等[5]采用模糊层次分析法对桥梁进行评价，并通过工程实例证明了模糊层次分析法在桥梁综合评价中的可行性。黄超等[6]针对厦门后溪长途汽车站平移工程实例，利用模糊层次分析和模糊综合评判法建立建筑平移工程风险评估模型，对平移施工中的风险进行评估和规避。

总的来说，目前加固改造后的桥梁往往仅通过外观观测或简单仪器来定性判断加固改造质量，缺乏一种有效的后评价方法对加固改造桥梁进行长期有效的效果评估，因此有必要采取一套科学客观的评估方法对加固改造桥梁进行定性评价。近年来，桥梁健康监测系统作为保障在役桥梁安全的重要手段在全国被大量推广，而轻量化监测的推出在此基础上进一步解决了结构健康监测的经济性问题，使监测系统在中小桥梁的应用成为可能[7-8]。因此，本文提出了一种基于轻量化监测的桥梁加固改造后评估方法，能够有效地检验桥梁加固改造后的技术指标，填补了当前加固改造桥梁在定性评价方面的空白。

1 监测内容

对于加固改造桥梁，此次研究重点关注其强度、稳定性以及运营过程中的交通情况。因此，本文提出了通过桥梁的挠度变化、应力应变以及交通流量来实现加固改造桥梁的定量评估。加固后评估的监测方法主要包括横向刚度监测、交通流量监测以及应力应变监测。

1.1 横向刚度监测

监测目的：当出现接缝纵向开裂、横隔板开裂及顶、底板纵向裂缝等病害时，桥梁很可能存在横向联系减弱、横向刚度降低、梁体的受力不均等问题，需要利用粘贴横向钢板或横向预应力碳纤维板等方式进行处治。通过横向刚度监测，可以为分析加固改造前后桥梁的横向连接性能提供依据，保证桥梁横向受力的均匀分布。

监测设备：光电挠度仪+光电标靶（同截面布置）。

监测方法：在梁端固定点安装光电挠度仪并调整角度，使之能对准跨中梁底横向布置的多个光电靶标。通过横向对比不同位置处的竖向变形大小，分析梁段的横向连接稳定性及协同受力变形情况。

1.2 交通流量监测

监测目的：车辆荷载为桥梁运营期的主要荷载，且超载车辆是造成桥梁破坏和影响桥梁寿命的主要因素，对桥梁结构实际所受荷载进行分析,可使桥梁健康监测更加直接、可靠。监测桥梁交通荷载，进行车流、车道、车型识别，统计分析荷载规律和交通流特征，为结构响应的比较分析提供数据支撑。

监测设备：车流量摄像头。

监测方法：在桥面安装车流量摄像头。动挠度传感器实时获取动挠度监测值，发现挠度超限情况时，利用车流量摄像头抓拍桥梁通行超重车辆，并通过车流量大小和主梁挠度的相关分析，为及时、直观评价桥梁的状态提供数据支撑，为评价桥梁的适用性和耐久性提供依据。

1.3 应力应变监测

监测目的：病害情况严重的上部结构需要通过更换新梁的措施对桥梁进行加固改造以确保安全使用。在新梁浇筑前可预埋嵌入式钢筋计，监测梁底纵向主筋应力，了解梁体内部受力情况并与外部混凝土的表贴式应变计数值比较，多维度评估梁体受力情况。

监测设备：应变计+钢筋计。

监测方法：在新换梁底内部纵向钢筋上安装埋入式钢筋计，监测内部钢筋应力大小；在对应位置的外部混凝土表面安装表贴式应变计，监测外部混凝土应力。对两类应力进行对比评估，以得到梁体的内外应力分布情况和变化趋势。

2 采集传输方式

在标准化的桥梁结构健康监测系统中，桥址现场处需要布置体积庞大的专用工业控制计算机，运输和安装都极为不便。此外，为满足各种监测传感器的需求，工控机还需搭载各种扩展接口，如RS232、RS485等，集成度低，板卡插件太多，组织复杂，易出现问题。以往，这种工控机为桥梁结构健康监测提供了有效的采集传输方式，但随着计算机系统小型化、网络化的不断发展，传统工业控制计算机系统凸显出成本太高、系统可适应性差等诸多缺陷，难以适应监测系统现场复杂、恶劣的环境。

应用基于4G-DTU 的无线远端采集系统，无线传输无需设立采集站，工程成本低、施工便利。根据目前健康监测系统构成，轻型化监测系统适用于通过串口传输数据的长期低频、短期高频采样传感器，如应变计、光电挠度仪、加速度传感器等使用串口进行数据传输的设备。轻型化监测系统首先对DTU 进行设置，设置要连接的中心IP 和端口及其他必要性的设置，设置好后传感器或采集设备通过RS485 接口和DTU 相连，DTU 上电之后根据事先设置好的中心IP和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向传输数据。选用能联网的工作站（接入宽带网络，能够进行外网访问），如运行中心软件的工作站在局域网里面，就要在局域网路由器做端口映射到本地工作站，等这些条件具备之后在本机运行一个中心DEMO或组态软件，开放一个端口，运行相关软件等待DTU的连接。DTU 连接中心后，就可按要求进行传输数据，中心收到数据后，通过系统进行解密、过滤、筛选，最终获得所需要的数据。通道建立成功后，DTU 串口实时监控采集器的数据，只要串口有数据过来，DTU将全透明进行实时传输。如果数据量小或需要定时传输数据的，DTU 可选数据激活、电话呼叫或短信激活等模式，或根据实际应用也可考虑修改软件来实现数据传输的需要。这样就可灵活应用不同的数据传输需求来采取不同的传输方式，以减少及节约不必要的传输费用。

3 应用案例

3.1 桥梁概况

南京市G205 龙池立交桥（左幅桥）位于G205 宁连公路，桥梁建成于1995 年，设计荷载等级为汽-20 级，挂-100。管养单位为南京市公路事业发展中心。

该桥为单幅桥，桥梁全长490.0m，桥面全宽11.75m。上部结构跨径布置由北往南为（6×21）m+（21+34+36+21）m+（5×21）m+21m+（3×21）m+（3×21）m，共22 跨。其中，跨越六合大道的为（21+34+36+21）m 的四跨预应力混凝土弯箱连续梁，其余桥跨为21m 钢筋混凝土简支T 梁，横断面由7 片梁组成，T梁和T 梁间连接形式为铰接。

3.2 监测方案

龙池立交桥在定期检测时被发现部分T 梁存在严重开裂，危及结构安全，于是进行了针对性的加固抢修。加固改造方案的主要内容包括更换开裂严重的T 梁，重做T 梁拼接缝以及T 梁粘贴钢板加固。因此，在龙池立交健康监测系统中，对更换的T 梁构件及周围梁段和横隔板进行了应力应变监测，从而实时了解梁段应力分布，进行新旧构件受力状况对比，并跟踪应力变化趋势。此外，还密切关注了加固改造梁段的几何线形及其变化，以及匝道区域交通流量、荷载情况，研究挠度变化与交通荷载的关系，为桥梁工作状态动态显示及结构健康评估提供资料。桥梁结构监测系统总体布点图见图1。

图1 龙池立交桥传感器总体布置图

3.3 分析评价

本文从应力应变的变化趋势和主梁挠度的对比两方面对加固后的龙池立交桥做出了分析评价，具体结论如下。

3.3.1 主梁挠度

龙池立交桥的主梁挠度变化原因除了车辆荷载之外，还受温度荷载影响。9：00～17：00 主梁跨中挠度逐渐减小，17：00～次日9：00 主梁跨中挠度逐渐增加，同时热胀冷缩也会导致梁端发生纵向位移、支座出现剪切变形。因此，建议平时应加强对伸缩缝和支座的检测。

从图2 可以看出每天5:00～23:00 主梁跨中挠度出现明显波动，因此可以判断出该桥车辆的通行时间主要分布在每天的5:00～23:00，而23:00～次日5:00车辆通行较少。

老梁跨中挠度大于更换的新梁，即更换的新梁相比老梁的整体刚度有一定程度的提升（见图2）。

图2 龙池立交桥跨中挠度对比图

同跨两片新更换的梁跨中挠度变化趋势基本相同，相同截面的各新换T 梁的刚度基本保持一致。

3.3.2 应力应变

新换T 梁腹板跨中位置处内外部应力变化趋势基本一致，内部钢筋应力数值显著大于外部混凝土应力。

新换两片T 梁支点位置处腹板内钢筋应力相比浇筑前初始应力增长较大，应力变化基本一致，静应力波动不超过5MPa。

同一跨跨中截面上各片T 梁的腹板外表面混凝土应力变化趋势保持一致，静应力波动不超过2MPa（见图3）。

图3 龙池立交桥应力应变数据对比图

4 结语

本文提出了一种基于轻量化监测的桥梁加固改造后评估方法，通过横向刚度监测、交通变形监测及应力应变监测，实现了加固改造桥梁的有效定性评估，并在龙池立交桥上进行了应用验证。通过对龙池立交桥监测数据的处理分析，该方法实现了对加固效果的量化分析，取得了一定成果。

对于未来的进一步研究，可以在加固前后持续监测并进行比对，进一步挖掘监测数据价值，识别结构变化特征，并据此对监测方法和位置进行敏感性分析，从而优化监测方案设计，提升数据分析效用。长期来看，在加固改造完成后进行性能验证，既能反馈加固设计，形成良性循环，也能指导今后加固方案设计，提升加固改造前期设计的科学性和合理性。