大跨径预应力混凝土连续刚构桥健康监测理念
2015-05-26
一、绪论
随着社会经济的快速发展，桥梁建设在社会建设中的重要性越来越明显。不论是高铁的建设还是交通道路的发展，作为基础设施的桥梁，都在其中展现出了强劲的发展势头，其中大跨径预应力混凝土连续刚构桥作为一种重要桥型发挥了重要的作用。
二、大跨径预应力混凝土连续刚构桥简介
预应力混凝土连续刚构桥既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的特点，又有T型刚构桥不设支座、施工方便的优点，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，它利用高墩的柔度来适应预应力混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的跨越及受力要求，同时在一定条件下具有用料省、施工方便、养护费用低等优点。连续刚构体系另一个特点是抗震性能好，水平地震力可均摊到各个墩上来承担，而连续梁则需要设置制动墩或者是采用价格较昂贵的专用抗震支座。墩梁固结又便于采用悬臂施工方法，取消了连续梁在施工体系转换时所采用的墩上临时固结措施。随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发展，设计手段的计算机化以及施工水平的提高， 大跨度预应力混凝土连续刚构桥的长度不断增加。
三、大跨径预应力混凝土连续刚构桥健康监测
近20年来桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大跨度预应力混凝土连续刚构桥梁的发展；同时，随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的逐渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息，并可用于深入研究大跨度预应力连续刚构桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题，因此桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与研究扩充了桥梁健康监测的内涵。
1、桥梁健康监测系统的内容
（1）荷载（包括风、地震、温度和交通荷载）。所使用的传感器有：风速仪――记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后可得风功率谱；温度计――记录温度、温度差时程历史；动态地秤（Weight―in―Motion）――记录交通荷载流时程历史，连接数据处理系统后可得交通荷载谱；强震仪――记录地震作用；摄像机――记录车流情况和交通事故。
（2）几何监测。监测桥梁各部位的静态位置和静态位移（如桥塔和锚碇的沉降和倾斜、主缆和加劲梁的线型变化等）。所使用的传感器有：位移计、倾角仪、GPS、电子测距器（EDM）、数字像机等。
（3）结构的静动力反应。如有位移计、倾角仪记录结构的静动力变形和转角、支座和伸缩缝的静动力相对位移历史；用应变仪记录桥梁构件的静动力应变和应力，连接数据处理系统后可得构件疲劳应力循环谱；用测力计（力环、磁弹性仪、剪力销）记录主缆、锚杆和吊杆的张力历史；用加速度计记录结构各部位的反应加速度，连接数据处理系统后可得结构的模态参数。目前桥梁监测系统中不合结构模型，因此无自动损伤识别的能力。但桥梁监测系统的高速发展为真正意义上的（有自动损伤识别能力的）桥梁监测系统打下了基础。桥梁监测系统的设计是多学科多领域的前沿课题，与桥梁设计、桥梁管理及试验技术的发展战略有密切关系，应当综合考虑国情。
2、大跨径预应力混凝土连续刚构桥的监控与评估
桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候 交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导为此。监测系统对以下几个方面进行监控：①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；③结构构件耐久性；④大桥所处环境条件等等。与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。
3、大跨径预应力混凝土连续刚构桥健康监测的设计验证
由于大跨径预应力混凝土连续刚构桥的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。大跨径预应力混凝土连续刚构桥的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。然而，结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提在进行风洞或振动台试验时对大桥的风环境和地面运动的模拟也可能与真实桥位的环境不完全相符，因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定具有重要的意义。
4、大跨径预应力混凝土连续刚构桥健康监测的未来
大跨径预应力混凝土连续刚构桥桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。尽管桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的出现不断推动着桥梁的发展，但是，大跨径预应力混凝土连续刚构桥的设计中还存在很多未知和假定，超大跨径预应力混凝土连续刚构桥的设计也有许多问题需要研究，同时，桥梁结构控制与健康评估技术的深人研究与开发也需要结合现场试验与调查桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨径桥梁的研究提供了新的契机，由运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息另外，桥梁振动控制与健康评估技术的开发与应用也需要现场试验与调查。
四、结语
综上所述，大跨径预应力混凝土连续刚构桥的健康监测不只是传统的桥梁检测新技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。随着未来科技的不断发展与完善，更多富有科技创新理念的思路与想法会更多的融入到桥梁的健康监测中来，随着人们对桥梁结构体系的不断认识和研究，大跨径预应力混凝土连续刚构桥的健康监测技术会更加成熟和完善。
