如何科学地选择耐久性参数——桥梁监测核心要素分析 - 52监测网

我国公路交通事业在近30年时间发展迅速，公路里程、桥梁数量等增速明显。截至2020年底，我国公路桥梁总数已达91.28万座。为了确保桥梁良好运行，国家及行业主管部门先后出台了若干政策法规和标准规范，使得桥梁的安全管理和科学养护能够有法可依、有据可考。尤其是近十余年时间，关于在役桥梁管理和养护方面的政策法规和标准规范密集出台，更加充分体现了行业主管部门及相关从业单位对既有桥梁养护管理的重视。在桥梁养护运营过程中，如何充分理解相关的行业政策和标准规范的技术要求，充分利用现有技术条件，实现科学养护，确保桥梁结构的安全耐久，是所有桥梁养护从业人员面临的首要任务。

桥梁安全监测作为桥梁全寿命周期过程中的一项重要养护工作，涉及桥梁养护中的环境风险管控、结构病害监测、结构性能演变和结构行为预测等各个方面。现有的规范标准中针对桥梁检查评定、安全保护区管理、超限车辆管理和灾害防治等方面均提出了明确的技术及管理要求，最大限度地为桥梁安全运行提供了科学依据。但面对桥梁结构的本身差异和复杂多样的运营环境，在安全监测方案设计中绝不能按照规范标准进行生搬硬套，应该在综合考虑结构特点、环境特点、风险因素和养护需求等多方面的影响，合理确定监测参数，开展相应的监测设计工作。

桥梁监测的不足之处

随着物联网技术和传感技术的发展，桥梁安全监测工作逐渐由原来的人工定期检查量测，过渡到目前的人工定期检查量测与自动化实时监测相结合的监测模式。自动化监测技术的发展应用使我国交通基础设施的数字化转型成为可能，一定程度上解决了人工检测主观性强、精度不足、随机因素大、及时性差等问题，为结构行为溯源和预测提供了技术支撑。但由于自动化监测是通信、传感、数据处理和力学分析等多学科技术知识的综合运用，其中涉及的每项技术瓶颈都将直接影响自动化监测技术的应用效果。从目前国内已有的桥梁健康监测项目应用情况来看，现阶段的自动化监测技术主要存在以下几方面的不足。

1. 在前期监测方案设计期间，过度强调自动化监测的先进性，对监测方法、设备选择等方面考虑不够充分，对后期数据应用的效果估计不足，导致监测过程中获得的原始数据并未得到有效处理和应用，甚至部分监测数据本身的真实性与可靠性存疑，造成大量的数据积压和浪费。

2. 目前监测过程所得到的大量数据仍需依靠线下人工分析，才能得出对桥梁养护决策相对有益的评估成果，导致数据的应用效率较低，无法及时有效地指导实际的养护决策工作。只有在线上智能评估方面做出较大改进，才能从根本上改变现状。

3. 在自动化监测技术应用过程中，受传感技术本身的限制，由于传感器使用寿命、测量精度、稳定性和测试环境等方面的影响，随着传感设备使用年限的延长，测试数据本身的真实性与可靠性会逐年降低，在一定程度上进一步限制了监测结果的应用。

4. 在桥梁结构安全评价方面尚未形成系统化的体系，桥梁人工检查结果与自动化监测成果之间的信息交互、联合应用等方面仍有待进一步完善，只有真正实现二者的联通互动和综合应用，才能使得自动化监测成果发挥出应有的辅助决策作用。

监测总体架构

在现有理论技术条件下，在充分考虑当前阶段面临的各种困难和挑战的前提下，如何最大限度地利用现有的理论技术条件，合理高效地开展桥梁安全监测工作，值得所有养护从业人员进行思考和研究。笔者在综合考量桥梁安全监测各个组成要素及其技术瓶颈的基础上，认为要做好桥梁的安全监测工作，应以安全需求为导向因地制宜、因桥施策。为保证监测设计方案的合理性，在设计过程中应遵循下述基本原则。

1. 目的明确

根据桥型结构特点和运营环境因素，分析并明确桥梁存在的主要安全风险，结合管理、养护和科研等方面的需求，科学制定监测目标，如构件受力安全、突发安全事件感知、桥梁长期性能跟踪和预测等。

2. 内容合理

在监测目的和目标明确的前提下，根据桥型结构和运营环境特点等，结合实际工作经验，进一步分析哪些构件容易出现影响结构安全的损伤，哪些环境因素容易对结构的安全耐久构成不利影响。通过对易损构件损伤模式和不利环境因素的甄别，明确监测内容。常规结构桥梁通常以监测结构受力病害或常见损伤为主，复杂结构桥梁以监测结构变形和易损构件受力为主，环境监测主要包括交通荷载、风荷载、撞击荷载和地质灾害等。

3. 参数适宜

监测参数的选择应考虑后期的数据处理和分析需求，并在理论分析的基础上进行确定。由于部分力学性能参数对结构损伤或环境变化的敏感性较差，易受温度、通行车辆等外部因素干扰，无法实现多耦合因素作用下的数据分离，导致在后期的数据分析处理和损伤的识别过程中，难以给出明确的损伤判定结论。因此，选择适宜的监测参数是实现监测目标的基本前提，合理的监测参数选择往往能起到事半功倍的效果，是保证监测结果实用、可靠的重要保障。

4. 测点科学

监测测点应根据测试参数和测试方法的需要进行设置，宜尽量选择在对损伤变化敏感、作用效应幅值变化较大及环境变化特征点上。通过在上述位置设置测点，能尽可能地降低环境干扰，提高监测结果可靠性和利用效率。

5. 方法可靠

在监测方法的选择上，一般结构损伤或环境变化相对稳定或变化缓慢，对监测频率要求相对较低时，可选择人工辅以必要量测设备的定期监测方式；若结构损伤或环境变化速率较快，或开展动力响应方面的监测时，由于对监测频率要求较高，宜采用自动化监测方式。无论选择哪种方式，在监测方法和设备选择上，都应满足精度达标、稳定性好、数据真实可靠的总体要求。

监测参数的选取

监测参数设计主要包括参数选择、方法选择、测点设计几个方面的内容，是监测方案设计中的重要一环。参数选取的优劣事关成败，只有在充分认识桥型结构和运营环境特点，并综合考虑运营风险管控和结构评估需求，以及可用监测方法和仪器设备的基础上，才能制定出切实可行的监测方案，达成预期的监测目标。

由于构造特点和受力特性的差异，不同桥型在参数选择方面应区别对待。必须紧盯结构关键问题，考虑服役期病害规律，舍弃非关键参数，形成明确的监测目的，制定具体的监测参数体系。例如，装配式空心板梁桥，最容易因单板受力形成病害，且病害严重时将直接影响到结构运营安全，对此类桥梁而言，若发现其铰缝存在渗漏水等问题时，在病害根治前可通过监测渗漏水铰缝两侧相邻梁板的相对位移，开展相应的安全监测工作；对于带挂孔的悬臂梁桥而言，其牛腿部位容易开裂，并诱发内部钢筋锈蚀和承载力下降，会对结构安全造成一定影响，故可通过监测牛腿易开裂位置的混凝土应变和该位置伸缩缝两侧相对高差，来关注结构开裂情况和发展变化情况；无纵梁的中下承式拱桥的最突出的问题是短吊杆的腐蚀断裂而引起的桥梁垮塌，可通过监测吊杆长度变化情况来掌握吊杆的内部损伤情况；对于肋式组合拱桥，如双曲拱、桁架拱等，横向联系薄弱和整体性差的问题较为突出，可借助监测拱肋间的相对位移，对结构整体性及荷载横向分布能力加以研判；斜拉、悬索等复杂结构桥梁，宜通过监测塔梁空间绝对变位和索缆内力变化情况来分析评价桥梁的安全性；对风环境敏感的桥梁，则应通过监测风向、风速及风场变化情况，对结构的抗风性能进行评价；而腐蚀环境下的钢筋混凝土结构，可根据监测内部钢筋锈蚀情况，对结构耐久性进行分析评价；冻土地区的桥梁基础需要通过监测地基温度变化和桥梁竖向绝对位移，来评价冻土性状变化对结构安全的影响；桥区附近的高坡陡坎等与桥梁存在潜在相互作用时，可通过监测地表绝对位移及墩柱倾斜度，对结构安全进行监测。因此桥梁的监测参数设计需要明确监测目的，选择具有针对性的参数，降低监测成本并提高效率。

图1 不同桥型的常用监测参数

在监测方法选择上，需综合考虑测试手段的可行性、分析方法的可靠性、项目执行的经济性、现场实施的可操作性等，并结合测量精度、监测频率以及管养需求等多方面因素，根据实际需要在人工目测、尺量、仪器测量或自动化量测、智能感知中择优选择经济、适用、可靠的监测方法。当采用传感设备进行自动化量测时，传感器量程、分辨率、精度、灵敏度、动态频响特性、稳定性、可靠性和环境适应性等应满足测试需求。此外，所用仪器设备还必须具有很好的可靠性、开放性、适用性和可扩展性。应用水准仪、全站仪等仪器通过人工测量方式进行变形监测时，应根据需要建立测量控制网，并定期对控制网进行复合测量，以保证结果的准确可靠。

图2 激光测距仪在相对变位测量中应用

图3 短吊杆索长监测与实测数据在重车数量统计上的应用

在测点布设方面，需综合考虑环境、作用、结构响应和结构变化的特征，结合结构受力特征和既有病害损伤位置，兼顾经济性和可更换性的要求，不断优化整合，确定最终布点方案。例如：为减小温度变化等因素对监测数据分析应用的影响，宜在结构横向对称位置分别布设测点；为提高分析结果的可信度和结构安全的可控性，监测测点应该布置在结构行为特征点和结构行为幅值较大的位置。通常在测点布设前，技术人员应建立桥梁有限元模型，确定受力和变形较大位置，并通过敏感性分析与关联分析，优化测点数量和点位，还需要结合同类型桥梁的典型病害及管养经验，确定结构易损、影响主要部件安全耐久的关键测点，最后筛选出可靠有效，能切实服务于结构安全分析评估的测点布置方案，保障最佳监测效果。

监测的目的是旨在获取桥梁服役期内桥梁结构安全状态，为特殊事件发生前后的桥梁快速评估提供必要的支撑，为管养部门制定管养维护方案提供依据。因此，我们需要总结监测需求、明确监测目标、梳理桥梁实际管养决策依据，综合考虑其环境、作用、结构响应和结构变化的特征，最终确定桥梁结构监测参数。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2022年第1期总第17期

作者 / 慕玉坤王晓光

作者单位 / 中交第一公路勘察设计研究院有限公司

来源：桥梁网仅用作交流学习，版权归原作者所有，侵权删