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摘要：本文介绍了为某高速公路特大桥建立的一套基于封闭式连通管法的挠度监测系统，介绍系统的原理、构成、工作情况，并在不同荷载工况下与其他测量方法进行对比验证，最后对采集到的数据进行了分析。
关键词：封闭式连通管；挠度；验证试验；数据分析
1 项目概况
某高速公路特大桥全长1819m，主桥跨径组合为（50+100+160+160+100+50）m，上部结构采用预应力变截面连续箱梁。该桥已通车运营多年，近年发现主梁拼接缝存在渗水结晶现象，为了彻底解决此问题，对该桥进行了专项维修处治工程，对桥梁桥面铺装层进行凿除重做处理。为了掌握该桥维修过程中及维修后运营阶段的健康状况，与维修过程同步建立了一套长期挠度监测系统，对桥梁正常使用状况进行长期监测和预警。
2 基本原理与系统构成
此次建立的挠度监测系统以近年来逐渐兴起的封闭式连通管挠度测量方法为基础，其基本原理见图1。完整的监测系统包括传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构健康评估系统、构件评级系统、数据管理系统以及定期人工检测模块等7大部分。
相比传统的水准仪法、激光法等方法，具有精度较高、经济可靠、不受桥梁现场的高尘、高湿和浓雾等环境影响、可长期自动测量等优势，动态性能也较开放式连通管系统有大幅提升，非常适合于大跨桥梁的挠度监测。
本项目采用的主要仪器设备有：性能优异的工业级压力变送器、稳压电源、信号调理仪、信号隔离器、动态数据采集仪、工控机等。
3 测点布置
目前建立的该特大桥挠度监测系统，测点布置在右幅主桥的各孔关键截面上，共计18个测点，测点位置分布如图2所示。
4 系统验证试验
该桥基于连通管的挠度监测系统开始试运行后，记录了大量的桥梁变形数据。为了验证挠度监测系统的精度，保证系统正式运行后测量数据的可靠性，在桥面维修工程完工前进行了一组对比试验。验证试验进行时，已浇筑完毕半幅混凝土桥面，养护龄期达14天。
4.1 试验工况
根据现场条件和试验目的，进行了静载对比试验和跑车对比试验。静载试验采用水准仪法进行对比，跑车试验采用激光挠度仪法进行对比。
静载试验采用4辆重约为300kN的车辆进行静力加载，选择两个160m跨跨中、一个100m跨跨中共3个工况进行连续加载、卸载。测点为全部18个点。
跑车试验是在桥面无任何障碍的情况下，利用1台约400kN载重汽车以约10km/h跑过主桥，测量桥梁结构在行车载荷作用下的动态位移。测点位置为23#跨（160m跨）跨中。
4.2 试验结果
4.2.1 静载对比
对于静载试验的各工况，人工水准测量和连通管法测得全部工况下各监测点的挠度，并进行对比。选取其中23#跨跨中工况梁体变形曲线如图3所示。
从图中看出，采用人工水准测量和连通管系统得到的梁体变形曲线是十分接近的，仅存在少量的差别。二者的差异可以用测量精度因素来解释。
与此工况类似，本次静载试验人工水准测量和连通管法在各个工况下得到的梁体变形均较吻合。
4.2.2 跑车对比
对于跑车试验的各工况，激光挠度仪和连通管法测得的梁体变形曲线图，选取如图4所示。
总体上来说，两种方法测得的梁体挠度变化规律比较一致。根据实践经验，激光挠度仪应用时，在桥梁尚未通车、环境干扰较小的情况下，能够较理想地测得桥梁的跑车变形过程，但目前该桥受车流干扰的情况下，激光法无法达到预期的测量精度。相对来说，连通管法的监测数据更为可靠。
4.3 验证试验总结
对该桥基于连通管法的挠度监测系统在正式运行前进行的验证试验表明：
（1）静载试验人工水准测量和连通管法在各个工况下得到的梁体变形均较吻合，两种方法测量值的少量差异可以由测量精度等因素来解释；
（2）跑车试验激光挠度仪法和连通管法测得的梁体动态挠度变化规律相近，但受现场条件限制，对比的效果不足够理想。
5 监测数据分析
系统于2015年1月调试完成后开始试运行，监测期间采取设备连续运行、数据定期离线转移的方式，数据采集速度为20Hz/通道，每月进行1次离线数据的采集、存储和分析。这里选取2015年1~6月份的部分监测数据进行分析。
5.1 桥墩沉降
从图6看出，梁体挠度汽车荷载作用下桥梁发生明显的振动，振动波形包含了桥梁的动态特性信息。
桥梁自振频率的变化反映了桥梁基本特性（如质量、刚度等）的改变。例如，通车前桥梁的各阶频率均要高于通车后的对应频率。这是因为通车前进行验证试验时桥面并未完全浇筑完毕，桥面的质量较小，所以自振频率较高。在通车后，在桥梁质量保持不变的情况下，自振频率主要与桥梁总体刚度有关。如果监测发现桥梁的自振频率下降，可以推断桥梁刚度发生退化，考虑桥梁发生损伤的可能。
6 分析总结
（1）采用人工水准测量与连通管挠度监测系统进行比对，表明连通管法精度达到要求。
（2）监测数据总体趋势正常，桥面翻修施工过程中未发现明显的意外情况。
（3）在桥面施工期间，温度作用是引起桥梁挠度变形的主要因素，桥梁挠度的变化趋势与气温之间有明显的相关性。因此应重视监测梁体温度，积累温度变形数据。
（4）系统具有良好的动态性能，能够得到桥梁的自振频率等动态特性信息。通过跟踪监测桥梁自振频率，可以反推桥梁刚度的退化过程，有助于判断桥梁的损伤情况。
考文献：
[1]交通运输部公路科学研究院.公路桥梁承载能力检测评定规程 JTG/ J21-2011[S].北京：人民交通出版社，2011
[2]陈德伟，班新林，李欣然，等.压力场桥梁挠度监测新方法的流体动力学分析[J].水动力学研究与进展A辑.2008（4）：385-392.
论文作者:陈文海
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/29
标签：挠度论文; 连通管论文; 桥梁论文; 工况论文; 桥面论文; 测量论文; 数据论文; 《基层建设》2016年5期论文;