随着经济的飞速发展，我国公路桥梁建设取得了令人瞩目的巨大成就。但是由于外界环境等因素的影响，桥梁结构不可避免地出现损伤积累和抗力衰减。如何及时、准确地掌握桥梁的健康状况，越来越引起人们的关注。桥梁结构健康监测的作用是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号，分析评估桥梁的使用寿命，并为桥梁的养护、维修与管理决策提供科学的依据。
关键词 桥梁；健康监测；传感器；应用
当前，我国公路桥梁数量已达到世界前列，在取得公路桥梁建设辉煌成绩的同时，由于桥梁形式各异，结构不一，服役时间不同，给桥梁养护带来很大难度。加快桥梁结构健康监测系统建设，随时掌握桥梁技术状况，能够有效保障桥梁的使用安全。
1 桥梁结构健康监测系统概述
1.1 结构体系
桥梁结构健康监测系统主要由传感器系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理与管理系统、安全评估系统、信息显示系统组成。
根据每座桥梁自身结构特点，分析结构受力特性、传力途径、薄弱环节、重点结构部位和关键控制点等。按照测点的分布区域进行健康监测系统的结构体系设置。
1.2 桥梁结构健康监测系统要实现的目标
1）获取结构特征信息，实时掌握桥梁结构的健康状态。2）监测桥梁结构的整体性能和关键部位的局部损伤，为结构维修提供依据。
3）评价桥梁承受动、静载的能力和结构可靠性，为运营决策和管理提供依据。
4）验证桥梁设计理论与方法，为修正类似桥梁设计理论与方法和修订规范提供依据。
2 桥梁结构健康监测系统的建设
桥梁结构健康监测系统建设包括监测内容与测点布设的确定，传感器及其通信网络的优化布设等。
监测系统包括实时监测和定期检测两大项工作内容。
实时监测内容。桥梁工作环境监测包括：环境温度、湿度、风力、风向、风速、日照等。桥梁运营情况的监测包括：通行车辆车型、车辆荷载，行车速度等。桥梁结构性能的监测包括：梁（拱）端部的位移（纵桥向与横桥向）、梁（拱）跨中竖向位移（挠度），桥梁结构各类受力构件的应力状态等，桥梁结构的振动特性。
在对桥梁多种物理、力学量进行实时、定期监测时，综合考虑桥梁健康监测系统和养护管理系统的特点，发挥二者不同场合中的优点，能够真正做到健康监测服务于桥梁的养护管理。
3 应用实例
某公铁立交桥桥是上跨京广铁路的一座重要桥梁，1997年建成通车，全长670 m，主跨30 m，其他各跨20 m，为简支预应力混凝土空心板梁桥，下部结构采用柱式墩，盖梁上设板式橡胶制作。2007年4月，一辆二百多吨的重载车辆夜间通行时，造成该桥主跨相接的两跨个别空心板断裂，交通中断。随后公路部门迅速抢修，恢复通车。然而几个月后，2007年12月该桥主跨桥面又出现了数条纵向裂缝，桥面向下挠曲变形明显，在两端的支座处，也出现明显的横桥向裂缝；而且板缝间混凝土脱落，造成整桥桥间横向连接不足，形成单板受力，进而破坏了桥面铺装层，板缝间渗水严重，板底有白色析出物，碱化现象明显。
公路部门在对该桥限制通行的同时，对该桥进行结构健康监测和承载能力检测。主要依靠动态法测试和承载力计算分析方法进行，通过测量桥梁结构固有模态参数来反映结构构件的损伤状况及整体性指标。
3.1 监测项目
1）利用有限元程序分析空心板梁结构的动力特性（自振频率、阻尼比、振型等）。2）测定脉动荷载作用下桥梁结构的动力特性（自振频率、阻尼比、振型等），以检验空心板的现有强度和刚度。3）评估空心板结构实际达到的工作性能，为后续的加固和改建决策提供科学
依据。
3.2 实施步骤
1）借助有限元程序分析空心板梁结构的动力特性。2）现场实测空心板梁结构的动力性能，包括控制截面（跨中及1/4跨）的振动时程曲线。3）对空心板结构的实际工作性能进行客观的评价。
3.3 主要仪器设备
动测法所用主要设备是一套动态数据采集、放大和分析系统，配合拾振器工作。
3.4 测点布置
主要通过在桥梁顶面布设拾振器，主要包括：跨中、1/4跨及3/4跨截面，测出结构振动参数，并绘制主要界面的位移和加速度时程曲线。
3.5 测定方法
通过对桥梁实时监测，测定桥梁动力特性，并据此对桥梁承载力状况和运营状况进行判断。该桥的动力特性试主要测试其固有频率，通过测量第一阶段自振频率fm1，并与新建初期测得的第一阶自振频率或理论计算频率fd1相比，从而判断桥梁所处的技术状态。主要监测结构的加速度信号，测试时每个测点分别采样，采样频率200 Hz。每次采集记录时间不少于30 s，各拾振器用橡皮泥固定在结构上。
3.6 频率计算结果
本桥结构为简支空心板桥，桥面连续，边界条件分别采用三种弹簧模拟，根据板式橡胶支座的特点，竖向弹簧刚度K1取1.7×106 kN/m，水平弹簧刚度K3取5 000 kN/m，桥面连续处水平弹簧港督K2取无穷大。频率计算结果，一阶频率为3.709 Hz。
3.7 频率识别结果与计算结果对比分析实测结果为3.369 Hz。 ，可知空心板的技术状况处于桥梁评定标准的四类桥梁，属较差的状态。
3.8 主要结论
1）刚度降低的结果表明：在长期运营过程中，由于超载车辆的影响，空心板已出现了竖向裂缝，导致截面有效高度降低所致。加之桥梁已出现了单板受力的不利现象，整体刚度严重不足，所以车辆通过时在桥上明显感觉到强烈振动。2）承载能力和变形检算结果表明：在单板受力情况下，现有空心板承载能力不足，当55吨重车超载27 ％时，即达到空心板极限承载能力。进一步超载的话，会导致空心板的断裂和坍塌。3）结合承载能力和变形分析、动态测试结果，根据桥梁技术状况评定标准，判定该桥设计承载能力的安全度不高、空心板的刚度降低较多（大于10 ％），出现了严重的功能性病害，结构的刚度、稳定性和动力响应不能达到平时交通安全通行的要求，特别是行车时震动过大，车辆和行人有强烈的不安全感。基于上述分析，依据《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）关于桥梁技术状况的评定原则，该桥的技术状况评定为四类，需进行改建或者加固处理。
4 结束语
建立桥梁结构健康监测系统能对运营阶段的桥梁受力状态及所受荷载和工作环境进行实时监测，并利用监测得到的数据分析结构的健康监测状况，评价桥梁结构承受静、动态荷载的能力和结构的安全可靠性，为桥梁的日常维护和运营管理提供科学依据。
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