桥梁结构健康监测系统都监测桥梁的哪些参数呢?我们可以先看看桥梁静载试验:中断交通,分级加载,布设的加载车的重量和位置都是已知的,然后测量桥梁在已知荷载下的结构响应(如应变和挠度位移)等,然后用实测值与理论分析指对比,如果实测结果和分析结果能够合得上,说明桥梁力学行为在理论分析可预测之内,从而推断桥梁的健康。
桥梁静载试验是一种通过对桥梁施加可控荷载,通过结构响应的测量,来反推桥梁自身健康状况的验证方法。桥梁静载试验所施加的荷载、测量的结构参数响应以及使用的分析方法均遵循桥梁设计规范的相关规定,从这个意义上来说,桥梁静载试验是对桥梁是否满足设计规范所预测的桥梁结构行为的试验验证,而不是在实际荷载作用下结构的承载能力安全性评定。
安装桥梁结构健康监测系统的目的也是为了判定桥梁健康状况,也是通过对桥梁荷载(输入)和结构响应的测量来力争实现或达到这个目标。桥梁监测系统与桥梁荷载试验不同之处是对桥梁所承受的实际荷载和桥梁在实际荷载作用下的结构响应的在线监测,其结果用来对桥梁承载能力进行判定。在桥梁通车条件下这些参数均为动态的、随机的、不可控的,从而造成了通过监测系统判定桥梁健康与否的技术难度大很多。
图1 桥梁参数梁监测示意图
由于桥梁监测系统监测的是桥梁实际荷载和结构响应,监测数据也能够用来与设计标准规范进行对比,判定桥梁是否承受过大荷载,是否发生过较大的响应(如振动、应变、力以及位移等),来判定这些参数是否在设计规范允许的阈值之内。
表1为桥梁监测系统常见监测参数。《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》针对不同桥梁结构型式给出了监测参数的建议以及布点位置,表2为这个技术规程中针对斜拉桥的监测参数选择。
表1 桥梁监测系统常见的监测参数
序号 | 监测参数 | 使用的传感器 | |
1 | 桥梁荷载检测 | 风荷载监测 | 风速仪 |
2 | 汽车荷载监测 | 汽车动态称重系统 | |
3 | 温度检测 | 温度传感器 | |
4 | 地震荷载监测 | 加速度计 | |
5 | 结构响应监测 | 振动特性监测 | 加速度计 |
6 | 应力应变监测 | 应变计 | |
7 | 桥梁挠度监测 | GNSS、雷达 | |
8 | 伸缩缝和支座位移监测 | 位移计 | |
9 | 拉索索力或吊杆内力监测 | 加速度计、微波雷达锚索计、磁弹仪 | |
10 | 其他参数监测 | 混凝土耐久性监测 | 阳极梯等 |
11 | 防撞击监测 | 雷达 | |
12 | 视频监测 | 摄像头 | |
13 | 环境温湿度监测 | 温湿度计 |
表2《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》推荐的斜拉桥监测参数
序号 | 监测类别 | 主要参数 | 桥型(斜拉桥) |
1 | 车辆荷载 | 断面交通流量、车型、车轴重、总重、车速 | 必选 |
2 | 空间分布 | 可选 | |
3 | 船舶撞击 | 桥墩加速度 | 可选 |
4 | 风速风向 | 桥面 | 必选 |
5 | 塔顶 | 必选 | |
6 | 风压 | 梁表面风压 | 可选 |
7 | 地震 | 桥岸地表场地加速度 | 可选 |
8 | 承台顶和桥墩底加速度 | 可选 | |
9 | 温度 | 箱梁内外环境温度 | 必选 |
10 | 混凝土温度 | 必选 | |
11 | 钢结构温度 | 必选 | |
12 | 桥面铺装层温度 | 可选 | |
13 | 湿度 | 箱梁内湿度 | 必选 |
14 | 缩塔锚固区湿度 | 必选 | |
15 | 环境湿度 | 必选 | |
16 | 雨量 | 降雨量 | 可选 |
17 | 振动 | 主梁竖向加速度 | 必选 |
18 | 主梁横向加速度 | 必选 | |
19 | 主梁纵向加速度 | 可选 | |
20 | 桥墩顶部横向和纵向加速度 | - | |
21 | 塔顶水平双向 | 必选 | |
22 | 斜拉索振动加速度(面内和面外) | 必选 | |
23 | 变形 | 主梁挠度 | 必选 |
24 | 主梁横向变形 | 必选 | |
25 | 墩顶偏位 | - | |
26 | 塔顶偏位 | 必选 | |
27 | 位移 | 支座位移 | 可选 |
28 | 梁端纵向位移 | 可选 | |
29 | 转角 | 塔顶截面转角 | 可选 |
30 | 应变 | 主梁关键截面应变 | 必选 |
31 | 体内体外预应力 | 不选 | |
32 | 裂缝 | 混凝土结构 | 可选 |
33 | 基础冲刷 | 流速基础冲刷深度 | 可选 |
34 | 腐蚀 | 混凝土侵蚀深度 | 可选 |
35 | 钢结构拉索锚具腐蚀 | 可选 | |
36 | 索力 | 拉索索力 | 必选 |
37 | 拉索断丝 | 可选 | |
38 | 支座反力 | 支座反力 | 可选 |
39 | 疲劳 | 斜拉索 | 必选 |
40 | 主梁 | 必选 | |
41 | 伸缩缝 | 必选 |
在桥梁结构健康监测系统设计的时候,监测参数须根据桥梁结构型式、荷载条件、可获得的预算以及所使用的分析技术综合考虑而确定,不宜照本宣科将标准中所有监测参数都做监测。桥梁监测最终目的是对监测数据进行分析挖掘,所以设计监测参数也需要从所使用的分析技术来反推需要哪些桥梁参数以及对所监测参数值的技术要求等。
所有桥梁相关参数均需使用传感器监测而获取,桥梁监测系统传感器选择我们建议注意几点:①在预算约束下传感器宜少宜精,②尽可能地选择动态监测用的传感器,传感器采样速率满足该参数获取的要求,③选用长期稳定性和耐久性好的传感器,④传感器做好环境保护措施设计。