橋梁/橋墩在線監(jiān)測
2021-12-15作為交通系統(tǒng)的組成部分，橋梁在人類文明的發(fā)展和演化中起到了重要作用。我國現(xiàn)有公路橋5000余座，總長130萬公里，1/3以上的橋梁都存在結(jié)構(gòu)性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關(guān)，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護(hù)措施是重要的原因之一。傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋梁的病害估計(jì)不足，就很可能失去養(yǎng)護(hù)的最佳時機(jī)，加快橋梁損壞的進(jìn)程，縮短橋梁的服務(wù)壽命。常用橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容如下表：
監(jiān)測內(nèi)容 | 監(jiān)測設(shè)備 | 監(jiān)測內(nèi)容 | 監(jiān)測設(shè)備 |
應(yīng)力應(yīng)變 | 應(yīng)變計(jì) | 橋塔位移 | 北斗GNSS |
橋墩傾斜 | 測斜儀 | 索力 | 加速度計(jì) |
沉降及撓度 | 靜力水準(zhǔn)儀 | 風(fēng)速風(fēng)向 | 風(fēng)速風(fēng)向儀 |
振動 | 振動傳感器 | 溫濕度 | 溫濕度計(jì) |
伸縮縫/裂縫 | 裂縫計(jì) | 視頻監(jiān)控 | 攝像機(jī) |
如果橋墩的沉降過大，尤其是地質(zhì)條件相差較大時影響較為顯著，會導(dǎo)致橋面產(chǎn)生偏位，造成受力不均，導(dǎo)致橋梁的失穩(wěn)。在運(yùn)營期間通過監(jiān)測了解橋墩穩(wěn)定性；梁體撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分，是其安全性評價的一項(xiàng)重要指標(biāo)。橋梁的撓度與橋梁的承載能力及抵御動荷載的能力有密切關(guān)系，橋梁受到承載車輛、行人及索拉的共同作用，受力復(fù)雜，為受彎結(jié)構(gòu)，故有必要對橋墩沉降和梁體撓度進(jìn)行監(jiān)測。橋墩沉降及撓度監(jiān)測通常選用靜力水準(zhǔn)儀。
橋墩作為橋梁的承重結(jié)構(gòu)，其傾斜過大將造成橋面伸縮縫擴(kuò)大、支座變形等，嚴(yán)重時影響橋梁整體構(gòu)件的受力形式及使用壽命。對于高墩由于墩身高，重心高等，施工精度要求較高。橋墩的傾斜在一定程度上也反映設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理，施工工藝是否符合要求。通過對橋墩傾斜監(jiān)測，反映出橋梁的健康狀態(tài)，了解橋墩的變形情況，及時預(yù)警，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝是否合理。橋墩傾斜監(jiān)測采用盒式固定測斜儀。
橋塔作為斜拉橋的重要承重結(jié)構(gòu)，主梁恒荷載、活荷載均通過對稱布置在左右兩側(cè)斜拉索傳遞到橋塔，其受力主要為豎直向下的力，并把豎向力傳遞給橋墩，橋塔也是施工中的重點(diǎn)工程。通過對橋塔頂點(diǎn)三維空間位置的變化進(jìn)行監(jiān)測，了解橋塔的位移情況和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使受力分析更合理等，也可驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)及施工工藝是否合理。橋塔位移監(jiān)測采用GNSS進(jìn)行監(jiān)測。
橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測是通過對應(yīng)變監(jiān)測間接實(shí)現(xiàn)，主要監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的受力情況，以了解結(jié)構(gòu)的長期或瞬態(tài)的受力情況。對于各橋梁監(jiān)測段，受自重以及其他荷載的作用，會產(chǎn)生一定的應(yīng)變，而應(yīng)變是應(yīng)力的間接反映。大橋橋面受荷載的影響大，因此對橋面有代表性斷面的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，可以了解作為主要承力構(gòu)件的受力狀態(tài)，及時診斷橋梁的病害，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析十分必要。橋體作為主要承力結(jié)構(gòu)，受力是非常重要的，必須加強(qiáng)應(yīng)變的監(jiān)測。結(jié)構(gòu)應(yīng)變采用表面應(yīng)變計(jì)。
為滿足橋面變形的要求，通常在兩梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置上設(shè)置伸縮縫；橋梁在運(yùn)營過程中，受各方面因素影響，橋梁可能出現(xiàn)裂縫。為了了解伸縮縫及裂縫現(xiàn)狀和掌握其發(fā)展情況，應(yīng)進(jìn)行裂縫變化的觀測，測定橋梁上裂縫分布位置，裂縫的走向、長度、寬度及其變化程度。裂縫監(jiān)測采用裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。
斜拉橋所采用的施工方法和安裝順序與成橋后的主梁線形及內(nèi)力狀態(tài)有密切關(guān)系，在施工階段隨著斜拉橋結(jié)構(gòu)體系和荷載工況的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也隨之不斷變化。另外，主梁、索塔和拉索之間剛度相差十分懸殊，受拉索垂度、溫度變化、風(fēng)力和日照影響、混凝土收縮徐變等復(fù)雜因素干擾等，使力與變形的關(guān)系十分復(fù)雜，使得設(shè)計(jì)計(jì)算和施工控制更加復(fù)雜。斜拉索的張拉及索力的大小對整個斜拉索的受力有很大的影響，因此，除了在施工過程中需對索力監(jiān)測外，在運(yùn)營期也需對索力進(jìn)行監(jiān)測。索力監(jiān)測常使用振動法或者磁通量傳感器。
橋梁動力特性參數(shù)（頻率、振型和阻尼等）和振動水平（振動強(qiáng)度和幅值）是橋梁整體安全的標(biāo)志，橋梁材料強(qiáng)度的退化會引起結(jié)構(gòu)振動特性的改變，例如橋梁結(jié)構(gòu)剛度的降低會引起橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)局部損壞。因此對橋梁動力特性及振動水平的監(jiān)測能夠起到整體上對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的目的。橋梁振動監(jiān)測使用振動傳感器。
橋梁結(jié)構(gòu)所處的氣候環(huán)境，對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況有很大的影響，需要對橋梁工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。首先要監(jiān)測的內(nèi)容就是溫度變化，需要測量外部環(huán)境、橋梁自身的溫度值，為橋梁設(shè)計(jì)時溫度應(yīng)力的計(jì)算分析提供依據(jù)，記錄在不同溫度下，橋梁變形、應(yīng)力變化等工作狀態(tài)的比較和定量分析，完善和驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論。另外，需要對橋梁工作環(huán)境中的空氣濕度進(jìn)行監(jiān)測，因其是影響混凝土結(jié)構(gòu)碳化和鋼筋腐蝕的重要因素，是對橋梁進(jìn)行耐久性評價不可缺少的數(shù)據(jù)資料。環(huán)境溫濕度監(jiān)測采用溫濕度傳感器。
成橋后風(fēng)荷載是橋梁結(jié)構(gòu)的主要動力荷載之一。在風(fēng)荷載作用下，橋梁的主要構(gòu)梁將產(chǎn)生振動，引起疲勞損傷累積，導(dǎo)致橋梁抗力衰減，尤其是義陽大橋?yàn)樾崩鹘Y(jié)構(gòu)，斜拉索受到風(fēng)力作用產(chǎn)生額外荷載。通過監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向，統(tǒng)計(jì)最大風(fēng)速值，可以得出結(jié)構(gòu)的風(fēng)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)關(guān)系，了解橋梁受風(fēng)動力荷載的情況。主要為施工和運(yùn)營期的監(jiān)測。風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測采用風(fēng)速風(fēng)向儀。
部分項(xiàng)目實(shí)例
