基于管养目的的公路桥梁健康监测技术探析

孙中阳

（河南省交院工程检测科技有限公司，河南 郑州 450000）

在国民经济快速发展的今天，我国公路桥梁建设取得了巨大的成绩。但因受到外界多种因素的制约，公路桥梁结构呈现出不同程度的损害，进而导致其抗力逐步衰减。为此，通过何种方式可对公路桥梁的健康情况进行及时、准确地掌握，成为人们关注的焦点。选用管养为目的的公路桥梁健康监测技术，可对公路桥梁结构情况进行科学监测与评估。在一些特殊天气及交通条件下，公路桥梁往往会出现一些问题，通过该监测技术，可及时对桥梁运营产生的异常情况进行预警，并对桥梁使用年限进行科学、准确地分析与评估，为后期桥梁工程管理、维护提供便利。

1 当前我国桥梁结构监测系统研究与应用现状

结构健康监测系统由20世纪80年代被提出，随后在大量桥梁建设中设置了用于运营安全监测目的的健康监测系统。21世纪之后，我国多数桥梁都安装了结构健康监测系统。在早期安装中，多为传感器这类简单的监测系统，部分系统经多年通车使用后按照相关部门的需求进行了升级应用。当前，在新建桥梁中健康监测系统的设计更具合理化，安装健康监测系统成了大跨度桥梁建设必须考虑的条件。随着科学技术水平的不断提升，强监测弱诊断成为当前结构健康监测系统的主要形式，为达到健康监测系统的目标，要求加大研究监测数据处理及健康诊断的力度，特别是在自诊断技术应用中，要求更好地发挥其在线化、连续化及自动化的优势。

在健康诊断及安全预警研究中，通常需要先掌握能够将结构健康状态、损伤反映出来的特征指标，随后根据健康监测原始数据信息，进行此类指标的计算，并准确分析结构行为，且与专家经验相结合，对此类指标取值范围进行设定及划分，以此获取指标阀值体系，并根据监测数据对指标值进行准确计算，随后分析对比该指标值和阀值体系，以此诊断健康监测状态并进行安全预警。

2 公路桥梁健康监测技术的概况

以往主要选用人工方式进行桥梁安全检测，或针对桥梁定期实施全面检查，如出现异常情况，如地震等，出现结构损伤，且对结构安全造成危害的情况下，需及时做好检测评估工作。这种情况下，桥梁损伤已经较为严重，选用人工特殊检测、评估，不仅会花费大量时间，还会产生大量费用，且与桥梁安全应急管理的要求不符。为此，基于管养目的，应选取切实可行的监测方法，更好地提升公路桥梁质量。

通常情况下，可通过数据采集系统、传感器系统、处理系统、管理系统等对公路桥梁结构健康系统进行监测，在桥梁健康监测技术应用中，其应用优势如下：

（1）通过桥梁健康监测技术的应用，可及时获得桥梁结构特征信息，并能及时了解桥梁的健康状况。

（2）桥梁健康监测技术的应用，可监测桥梁结构的主要部位或整体性能，从而为维修、管理桥梁工程提供参考依据。

（3）桥梁健康监测技术的应用，可对桥梁所承受的动载及静载能力进行科学评价，为桥梁运营决策、管理提供保障。

（4）桥梁健康监测技术的应用，可对桥梁设计方法、理论的合理性进行验证，并为设计修改提供依据。

3 公路桥梁健康监测技术要点

在我国交通运输发展中，桥梁占据着重要的地位，加大桥梁监测工作力度，可及时找出其病害，为病害原因分析及处理提供可靠依据，进而提高桥梁运营的安全性。定期监测与实时监测是监测系统的主要工作内容，具体如下：

3.1 定期监测

定期监测主要监测公路桥梁的性能，主要内容见表1。

表1 定期监测内容

3.2 实时监测

在公路桥梁实时监测中，主要对2个方面进行监测，如工作环境与运营状况。具体内容见表2。

表2 实时监测内容

4 工程案例分析

某桥梁工程总长度为670 m，30 m为主跨长度，其他跨均为20 m，本桥为简支型预应力混凝土空心板桥，选用柱式墩作为桥梁下部结构，盖梁上采用板式型橡胶。此桥交通量较大，因重载型车辆较多，行驶过程中出现局部空心板断裂现象，进而影响交通通畅性，出现中断情况，后经及时抢修，快速恢复通车。但通车运营之后，几个月就有大量纵向裂缝出现于主跨桥面位置，且桥面变形严重。为此，决定限制本桥通行，并对其实施健康监测。此监测过程主要选用的监测方法为动态法测试与承载力计算分析，通过桥梁模态参数，可准确地将桥梁结构损伤情况、整体指标反映出来。

4.1 监测项目

阻尼比、自振频率、振型等都是桥梁结构所具备的动力特征，可利用有限元程序进行空心板梁结构所具备的动力特性。首先，在脉动荷载作用下，监测桥梁结构的动力特性，并对空心板现有刚度、强度进行监测；其次，评估空心板结构，对其工作性能进行监测，以此将准确、真实的参数提供于加固、改建工程的监测应用。

4.2 监测步骤

第一，通过有限元程序，对空心板梁结构自身的动力特性进行分析、掌握。

第二，在监测过程中，实时监测空心板梁结构的动力性能。

第三，对空心板结构的工作性能进行客观评价。

4.3 监测仪器设备

桥梁监测选用动测法时，选取的设备系统具有采集、分析、放大动态数据等功能，一般情况下，此系统需与拾振器配合使用。

4.4 布设监测点

根据工程实际情况，可将拾振器布设到公路桥梁顶面，监测内容主要有桥梁结构振动参数，同时还应将界面实际位移、加速度曲线等绘制出来。

4.5 监测方法

通过实时监测公路桥梁结构，可及时掌握其动力特性，并科学分析、判断桥梁的承载力、运营情况。同时，在测试桥梁动力特性，固有频率是其主要测试内容，在测量第一阶段自振频率之后，可对比早期检测的理论计算频率，以此对公路桥梁的具体技术情况进行判断。

4.6 监测频率的计算结果

简支型空心板桥为此桥结构形式，在监测桥梁健康状况时，边界条件可选取3种弹簧实施模拟，且按照板式橡胶支座的特征，获取竖向弹簧刚度，其值为K1=1.7×106kN/m，水平向弹簧刚度，取值K3=5000 kN/m。在桥面连续部位，水平向弹簧刚度K2取值无限制。通过计算可得，3.709 Hz为一阶频率。

4.7 对比监测频率识别结果与计算结果

通过实际监测可见，其结果为3.369 Hz，以此可通过fml/fdl=3.369/3.709=0.9（fml为自振频率；fdl为理论计算频率），为此，可得出此桥梁为第四类桥，状态较差。

4.8 监测结果

（1）桥梁刚度减小，则说明在桥梁运营过程中，因超载车辆较多，空心板裂缝问题过于严重，导致桥梁截面有效高度有所下降。

（2）监测桥梁承载力及变形情况时，在桥梁单板受力影响下，当前空心板承载力与其承受的能力有所不符，如超载问题严重，极易出现空心板断裂现象或坍塌。同时还能监测桥梁动态状况，按照我国相关规范规定，可对此桥承载力的安全性能进行科学评定，因桥梁空心板刚度降低程度过大，按照现行规范规定，确定该桥技术状况为第四类，状态并不理想，必须采取科学有效的措施进行加固改建处理。

5 结语

综上所述，作为道路体系的主要构成部分，桥梁也是现代交通工程的关键性枢纽，在交通运输事业发展中发挥着重要的作用。伴随使用年限的不断增加，桥梁结构的安全性及使用性能都会发生改变，为保证桥梁运营安全，增加其使用寿命，必须建立及完善桥梁健康监测系统。桥梁健康监测技术的应用，可以为桥梁后期养护维修、管理提供科学依据，能够及时发现问题，避免事故发生，提高桥梁工程通行的安全性。