大型桥梁施工过程中结构安全监测体系研究

2022-10-01

1 结构安全监测系统的概念

结构安全 (健康) 监测 (Structural Health Monitoring, 简称SHM) 指利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。

结构安全监测技术大致经历了三个发展阶段:第一阶段以结构监测领域专家的感官和专业经验为基础, 对诊断信息只能作简单的数据处理;第二阶段以传感器技术和动态测试技术为手段, 以信号处理和建模为基础, 在工程中得到了广泛的应用;近年来, 为了满足大型复杂结构的安全诊断要求, 进入了以知识处理为核心, 数据处理、信号处理与知识处理相融合的智能发展阶段。

2 结构安全监测系统的构成、过程

2.1 结构安全监测系统的构成

结构安全监测系统一般包括传感器系统、数据采集和分析系统、监控中心以及实现安全评估功能的各种软硬件, 是集结构监测、系统识别和结构评估于一体的综合监测系统。如图1所示, 首先用先进的传感测试仪器、高精度全站仪等设备对桥梁在施工荷载作用下的各种响应进行监测;然后对监测到的各种数据信息进行分析处理, 结合结构模型等先验知识对结构进行诊断, 分析结构安全状态;最后对桥梁结构的安全状态进行评价, 并确定科学的施工决策。

2.2 结构安全监测系统的监测过程

大型桥梁施工阶段安全监测是指通过某些测试方法对结构的特征参数, 例如应变、变形、温度、挠度等进行测量, 将测定值与结构设计正常工作时的数值进行比较, 以此判别结构的工作状态是否正常。它只对结构施工过程中的安全状况进行评判, 便于对结构的工作状态进行预测、预报。根据桥梁的实际特点, 以及桥梁刚构的力学特征, 恰当地选择监测参数、测点以及监测周期, 然后把结果和计算 (预测) 结果相验证, 在计入误差和变量调整后由设计人员分析以后每阶段乃至竣工后结构的实际状态, 预告今后施工可能出现的状态, 并预报下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态, 以确定是否在本施

工阶段对可调变量实施调整。整体工作流程见图2所示。

3 结构安全监测系统的监测内容

3.1 钢筋锈蚀及构件缺损监测

3.1.1 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三方面。其一, 钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小, 从而使钢筋的承载力下降, 极限延伸率减少;其二, 钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多 (一般可达2～3倍) , 体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力, 发生顺筋开裂, 使结构耐久性降低;其三, 钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。

3.1.2 构件材料缺损

桥梁构件材料缺损状况是指桥梁各部分结构及各构件材料、裂缝、变形位移等缺陷的严重程度。它是衡量桥梁技术状况的主要指标, 也是评价桥梁施工过程各分部分项工程合格与否的重要参数。混凝土中常见的缺陷有裂缝、碎裂、剥落、蜂窝、空洞、环境侵蚀和钢筋锈蚀等。桥梁构件材料缺损状况检测常用的方法有:目视检查、超声波探伤技术、声波检测法及雷达检测技术等。

3.2 位移及挠度监测

无论采用什么施工方法, 桥梁结构在施工过程中总要产生变形 (挠曲) , 并且结构的变形将受诸多因素的影响, 极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置 (立面标高、平面位置) 状态偏离预期目标, 使桥梁难以顺利合拢, 或成桥线性形状与设计要求不符, 所以必须对桥梁实施控制, 使其结构在施工中的实际状态与预期状态之间的误差在容许范围之内、成桥线性形态符合设计要求。

3.3 强度长期监测

混凝土强度检验是工程质量控制的重要环节, 也是结构安全鉴定的主要项目。混凝土强度的实体检测方法可分为非破损法和局部破损法。混凝土无损检测技术是指在不破坏混凝土结构构件的条件下, 在混凝土结构构件原部位上对其混凝土强度和缺陷进行直接定量检测的技术。国内外混凝土强度的检测方法主要有回弹法、超声—回弹综合法、钻心法、拔出法以及无损与其它半破损方法相结合等方法。其中回弹法、钻芯法及超声波法在实际检测中应用最为广泛。

3.4 混凝土应力长期监测

桥梁结构在施工过程中以及成桥状态的应力情况是否与设计相符合是施工监测要明确的重要问题。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态, 若发现实际应力状态与理论 (计算) 应力状态的差别超限就要进行原因查找及调控, 使之在允许范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那么易于发现, 若应力控制不力将很可能会给结构造成重大危害, 严重者将发生结构破坏。

3.5 温度监测

温度对于桥梁结构的施工安全状态影响较大, 温度监测主要包括大体积混凝土浇注过程中水化热温度监测及日常温度监测。

3.5.1 水化热温度监测

随着材料的更新, 施工技术的进步, 预应力混凝土连续箱梁的跨径越来越大, 对于采用悬臂现浇工艺施工的箱梁, 其在桥墩附近的节段的底板厚度也越来越厚, 大跨径预应力混凝土箱梁的墩顶段底板厚度一般都超过了1.0m。同时, 箱梁采用的混凝土设计强度较高, 一般都超过50MPa, 属于高强混凝土, 相应单方水泥用量较多, 水化热引起的混凝土内部温度较普通混凝土要大, 有可能因混凝土的内外温度差和温度变形较大而造成混凝土硬化后的表面裂缝, 这种情况已经引起了桥梁工程界的重视。

3.5.2 日常温度监测

温度变化相当复杂, 包括季节温度、日照温度、骤变温度、残余温度等, 而在原定控制状态中又无法预先知道温度的实际变化情况, 所以在控制中难以考虑。通常是将控制理想状态定位在某一特定温度下, 从而将温度变化对结构的影响相对排除 (过滤) 。一般是将一天中的温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间。但对季节温度和桥梁体内的温度残余影响要予以足够重视。

3.5.3 监测方法

在需要温度监测的部位布置温度测点, 通过预埋温度传感器的方式监测水化热温度。日常温度可采用温度计测量。

4 结构安全监测的关键技术

4.1 传感器选择及优化布置

4.1.1 传感器的选择

大型桥梁工程结构通常都具有体积大、自振频率低的特点, 而且, 除非是在强震情况下, 否则结构的震动响应水平一般都比较低。因此, 结构安全监测系统的传感器必须能够在低频范围内工作, 而且还必须具有一个较宽的动力性能量测试范围。概况起来, 选择适宜的结构安全监测系统的传感器应从: (1) 兼容性; (2) 结构; (3) 性能; (4) 测量方式等方面加以考虑。

4.1.2 传感器优化布置

在整座桥梁所有自由度上安置传感器是不可能也是不现实的。因此, 就出现了传感器的优化布设问题。通过尽可能少的传感器来获取最可靠而最全面的桥梁安全状况信息, 就是优化布设的目的。在这方面已经有许多人做了有效的研究工作, 给出了各种不同的传感器优化布置的数学模型。主要方法有: (1) 模态动能法; (2) 有效独立法; (3) 奇异值分解法; (4) 模型缩减法; (5) 遗传算法; (6) 振动试验模态分析法。

4.2 数据采集及处理

对于桥梁结构的安全监测系统而言, 数据采集是实时在线而且长期进行的, 因而必须采用自动化数据采集装置, 工作流程一般为:传感器将量测的非电量转换成容易量测的电量后, 通过模/数转换, 将数字量直接输入到计算机中。数据采集硬件系统配合相应的软件系统组成一套数据采集系统。一套数据采集系统可以将试验员测试阶段和试验数据整理阶段合而为一, 实现快速、多点、自动测量和记录试验数据。

数据管理系统的主要功能是实现对桥梁结构工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理, 通过该系统可进行数据的修改、删除、查询等操作。桥梁结构安全监测数据库的性能直接影响到整个监测系统使用的方便性与可靠性。

4.3 监测系统的长期维护

大型桥梁施工阶段结构安全监测是一个非常复杂的系统工程。因为桥梁施工阶段结构安全监测是长期的实时在线监测, 现场的恶劣环境对于监测系统的各种硬件设备、数据通讯与采集都是严峻的考验。虽然不能苛刻要求用于安全监测的一起设备具有与被测的桥梁结构一样长的寿命, 但是必须认真考虑这个问题, 使消耗较大的安全监测系统真正发挥其作用。

国内外已建的桥梁监测系统, 在传感器等硬件设备的保护、维护等方面都或多或少存在一定的问题, 有的是无人维护、有的是应传感器等硬件设备的损坏、失效而导致整个系统的瘫痪。

5 结语

实际桥梁设计理论和施工技术的不断进步使得桥梁跨度不断有新的突破, 结构形式也日趋复杂, 作为生命线工程中的桥梁监测和评估工作显得尤为必要和急迫。随着大跨度桥梁在交通运输中占据日益重要的地位, 建立与之相适应相匹配的桥梁施工监测与评估系统成为桥梁界研究的热点之一。本文根据大跨径连续刚构桥的施工控制的特点, 探讨了各种主要参数对结构内力和变形等方面的影响, 在其他桥梁施工控制中可以借鉴使用。

摘要：根据大跨径连续刚构桥的施工控制的特点, 探讨了各种主要参数对结构内力和变形等方面的影响。针对大跨径连续刚构桥的施工控制提出了合理的观测方案, 建立了全面的监测系统。重点探讨了结构安全监测系统的构成、过程和内容, 以及一些关键技术, 对于相关研究有较强的指导作用。

关键词：监测系统,混泥土,传感器优化,数据