校正“航向”的无形之手——桥梁加固工程伴随监测技术之探

对于既有预应力混凝土梁底板横向裂缝等病害,一般采用体外预应力钢束、预应力碳纤维板等措施进行主动加固；而对桥梁损伤程度的识别、加固过程的控制、加固效果的评价，是确保桥梁加固工程达到设计预期的关键。作为目前通常使用的一种方法，荷载试验无法对桥梁加固过程进行连续监测，且成本高、影响大。桥梁加固工程伴随监测技术实现了在不中断交通的情况下，对加固桥梁关键响应参数进行持续监测，实时指导体外束张拉施工，确保桥梁加固效果。

目前存在的客观情况（如高速通行影响大，难以封闭交通进行荷载试验、梁体内预应力钢束的永存预应力不明等），难以对桥梁结构承载能力的损伤程度进行准确评估，从而导致无法准确确定结构预应力补强程度。

桥梁加固过程中（特别是体外预应力加固等主动加固方案），受多方面不明因素的影响，模型的模拟无法对桥梁实际情况进行准确计算，病害桥梁实际所需的补强程度（如体外束的张拉控制力的确定）难以确定，且对张拉过程的控制十分重要，存在结构损伤甚至垮塌风险。

当加固完成后，以往通过荷载试验等评价加固效果的方法不但需要封闭交通，导致社会影响大，还产生较高的费用，并且仅为加固后的某个时间点的检测结论。因此一种不中断交通、经济合理，且可持续反映加固效果的评价方法显得尤为重要。

采用不封闭交通的间接评价方法，即通过对同类型（跨径、梁结构等相同）的完好桥跨的相同位置进行监测，并对荷载（车辆自然通行）作用下的结构响应（应变、变形等）加以比较，找出差异后进行分析，推测结构损伤程度。

在桥梁加固施工过程中实行动态监测，根据试验数据指导加固施工，实时调整体外束张拉力，为体外束张拉控制应力的确定及桥梁加固维修后的性能识别提供技术依据。

对加固前后结构响应（裂缝、应变、变形等）以及加固完成后加固跨与试验对比跨的结构响应（裂缝、应变、变形等）进行比较分析，总结得出实际加固效果，对桥梁结构的加固效果做出总体评价。

选择在同类型桥跨（跨径、桥梁结构构造、配筋等相同）的相同位置布设结构响应监测点，在相同的行车环境下采集行车加载（相同车速、相同车重）情况下的结构响应（裂缝、应变、变形等）数据，在结构性能响应方面，结构性裂缝较严重的桥跨，逊于无明显病害且技术状况良好的桥跨。

通过对大量车辆通行的结构响应值进行统计分析，对出现损伤的桥跨、技术状况良好的桥跨及模型理论数据进行比较及差异分析，推测结构损伤程度；在加固施工过程中开展动态监测，根据试验数据指导加固施工，精准控制体外束张拉力，确保达到预期效果。

图1 伴随监测原理示意图

图2 伴随监测技术路线

图3 伴随监测系统组成

伴随监测系统主要包括传感器模块、数据采集及传输模块、交通数据采集模块、数据分析模块。

传感器模块——桥梁各监测截面所布设的温湿度、挠度、应变、裂缝等传感器，均为数码自动高频传感器。

数据采集及传输模块——车辆通行时,桥梁结构的挠度、应变、裂缝响应值自动、快速采集并传输至数据分析程序。

交通数据采集模块逐一对桥面通行车辆进行高清持续的数据采集，车辆通行情况与结构响应情况一一对应。

数据分析模块分别对加固跨和对比跨各采集时段的数据进行整理、对比、分析；数据分析时，结合交通数据情况，挑选前后无其他车辆干扰、桥上无错车超车现象的数据，对存在多车干扰的数据进行排除，保证加固跨、对比跨通行车辆荷载一致。

根据桥梁结构内力包络图及病害发生情况，选择加固跨及对比跨；加固跨即病害跨，对比跨选择同类型（跨径、梁结构等相同）的完好桥跨；确定典型控制截面（如跨中截面、支点截面）；布设挠度、应变、裂缝等结构反应测点，试验跨及对比跨测点布设位置及布设方式均相同，传感器采用频率不小于20Hz，建立伴随监测平台。

自然通车情况下，根据交通量及交通组成确定监测时间段，对加固跨及对比跨在车辆特别是重载车通行时的结构响应（挠度、应变等）进行持续观测，对加固跨及对比跨在车辆自然通行作用下的结构响应（应变、变形等）进行比较，找出差异后进行分析，推测结构损伤程度，初步调整加固方案（如体外预应力碳板+体外钢绞线预应力束联合加固方案时，根据初始损伤结果确定次要加固措施——体外预应力碳板的张拉控制应力）。

体外束采用逐级对称张拉，对张拉过程中的控制截面结构与响应值（应力、挠度、裂缝等）进行持续监测；对加固跨前后、加固跨与对比跨结果进行比较分析，实时指导张拉水平。

最终张拉控制应力采用挠度、应变、裂缝三重控制，需满足以下条件：

1.同一重车通行条件下，加固跨挠度增量值小于对比跨挠度增量值。

2.应力主控指标：体外预应力张拉后，梁底压应力值储备(体外束张拉产生的应力增加值)大于加固设计预期汽车荷载或正常使用状态汽车荷载产生的理论计算拉应力值。

应力辅控指标：同一重车通行条件下,加固跨应力增量值小于对比跨应力增量值；辅助条件仅适用于梁体裂缝较少、重载作用下应力释放较均匀,可反映结构刚度的情况。

3.裂缝：原裂缝闭合，且在正常车流交通情况下，原裂缝在加固预压力作用下不开裂。

4.张拉过程中，结构响应值（应力、挠度、裂缝等）出现快速增长或数值超出理论值的异常情况，应及时终止张拉过程。

加固完成后，在不中断交通情况下，对加固跨、对比跨的结构响应监测点进行持续监测（监测时长根据实际交通量及交通组成并结合加固方案特性确定），对加固前后结构响应（裂缝、应变、变形等）以及加固完成后加固跨与对比跨的结构响应（裂缝、应变、变形等）进行统计比较分析，总结得出实际加固效果，对桥梁结构加固效果做出总体评价。

某4×25m预应力混凝土连续梁桥的第二孔出现横向裂缝，采用预应力碳板+体外预应力钢束进行加固。

分别选择完好跨、病害跨作为对比跨、加固监测跨。在跨中截面布设挠度、应变测点，底板横向裂缝骑缝布设裂缝监测点。

分别在加固前、加固中、加固后对裂缝、应变、挠度测点进行持续监测，并在各相应监测时间段内采集桥面交通及车流情况。

1.裂缝监测结果分析

桥梁加固前，多数重载车辆均会引起桥的裂缝宽度变化，且数值较大；加固完成后，多数车辆通过时，裂缝数值均为零；少数重载货车或多辆货车并行时裂缝数值出现波动，但数值很小，最大裂缝数值0.002mm，实际为应变的反应。可见加固完成后，桥梁受力性能及耐久性得到明显改善。车流及交通正常时，在常规车辆荷载（非超载）作用下，梁体全截面参与受力，原裂缝在加固预压力作用下不会开裂。

2.应变监测结果分析

对全部监测时段的车辆应变值进行统计，实际通行车辆引起的最大应变增量为48.5με。对体外束预压力产生的压应变（增量）与车辆荷载产生的拉应变进行比较，见表2。体外束对加固跨梁底产生1.84Mpa预压应力，大于观测时段测量的车辆荷载产生的拉应力最大值1.56Mpa。

因此推断桥梁加固完成后，目前在正常车流通行的情况下，常规车辆荷载（非超载）通行时，梁体在加固预压力作用下梁底不产生拉应力。

3.挠度监测结果

桥梁加固完成后，结构刚度明显提高，挠度增量比值（加固跨/对比跨）平均值较加固前、张拉碳板后明显减小，且绝大多数（91%）数值小于1，加固跨刚度达到对比跨的刚度。

表3 加固前加固跨与对比跨挠度数据比较表

在桥梁加固过程中的伴随监测工作，主要起到下述作用：

首先，在不中断交通的条件下，对桥梁加固过程进行持续监测，根据伴随监测的裂缝、应变、挠度数据分析，加固完成后，桥梁受力性能、结构刚度及耐久性得到明显改善。

其次，加固完成后，车流交通处于正常状况时，在常规车辆荷载作用下，梁体全截面参与受力，原裂缝在加固预压力作用下不会开裂，梁体在加固预压力作用下梁底不产生拉应力，加固达到了预期效果，能够满足原设计荷载标准下的承载要求。