信息时代的耳目口鼻——桥梁智能监测仪器

桥梁是交通网络的重要组成部分，密切关注桥梁的安全和维护至关重要。因为桥梁结构的损坏或倒塌会对生命和财产造成严重的后果，因此需要大量的检查和维护工作来确保桥梁的健康安全。

利用现代技术、仪器、传感器和实时评估来观察和跟踪可能影响桥梁结构基础的所有活动，通过岩土试验监测仪器在施工的前、中、后期三个阶段来实现对桥梁的精准监测。

波托马克河大桥——实时在线云监测

根据2017年ASCE基础设施报告，美国约56000座桥梁（约占总数量的10%）存在某种结构缺陷，特别容易发生不可预见的意外事件。桥梁监测的重要性显而易见，监测包括传感器测量、缺陷识别、数据处理以及结果分析和决策。

波托马克河大桥，也被称为Harry W. Nice州长纪念大桥，是一座连续桁架桥。大桥连接了美国马里兰州查尔斯县的纽堡和乔治·弗吉尼亚州的达尔格伦。这座桥总长度约3063米，双向四车道，每个车道宽3.7米，限速为89公里/小时。

图1 波托马克河大桥

制定波托马克河大桥监测计划是为了确保现有桥梁结构和设施的安全性，以防其在新桥和其他类似的建设项目的施工过程中受到影响。监测计划旨在衡量和判断现有桥梁的当前结构健康状况，并根据日常和季节性天气变化、交通运营、过往船只的影响，确定桥梁的受力变化。

在施工阶段中需使用仪器对大桥进行监测：使用岩土试验监测仪器、紧凑型数据记录器和全站仪进行自动监测和调查。RGS还能利用在线网络数据管理系统(WDMS),生成日报、周报和月报。

仪器安装阶段分为现有桥梁监测和新桥施工监测两个阶段。

在现有桥梁监测中，使用了应变计、倾斜传感器、裂缝探测仪、多角度快速测量仪、数据记录器、自动全站仪。

图2 监测平台显示出的仪器安装位置和ID信息

而在新桥监测中，则使用了测压计——用于在陆地基础施工中，准确监测地下水位和孔隙水压力；固定式测斜仪——用于确认路堤、周围结构和挡土墙的位移是否在设计范围内；钻孔伸缩仪——用于观察施工区附近地下结构和关键公用设施的地下沉降，以及观测沉降点，与IPI系统类似，用于监测路堤和周围结构的沉降，确认其在设计公差范围内。RGS还为该项目提供了完整的在线云监测。

上述仪器均在监测中得到较为成功的使用。顾问/承包商可以在办公室内使用电脑访问由倾斜传感器、应变计、测斜仪及其他岩土工程仪器提供的实时数据, 持续不断地获得施工现场的相关信息，不会出现数据滞后或数据采集失败的情况。

一旦有数据超过预设的审查标准和水平，软件会通过短信或电子邮件发送警告标志或发出警报。此外，实时数据也有助于工程项目的无缝衔接，并节约成本。

博济比尔大桥——公铁联合试验监测

博济比尔大桥是一座长4.94 公里的公铁两用桥，横跨印度东北部阿萨姆邦的布拉马普特拉河。它位于Dhemaji区和Dibrugarh区之间，被称为印度最长的公铁桥。同时，它也是亚洲第二长的公铁两用桥、印度第五长的桥梁。这座桥的下层有一条双轨铁路，上层有一条3车道的道路。这座桥的建成极大地方便了民众从Dhemaji到大医院、教育机构和Dibrugarh机场。

图3 博济比尔大桥

由于博济比尔大桥位于地震带，所以采用了复合焊接钢-混凝土梁/桁架结构，能够承受里氏7级地震。

像其他结构一样，博济比尔大桥也需要维护和监测。大桥北岸的其中一跨和边跨都需要进行荷载试验来确定最大承重。使用应变计、位移传感器和热电偶等岩土仪器来测试满载时的应变，以及支座的温度和位移变化。

大桥北岸的其中一跨和边跨分别为125米和32.4米。岩土仪器的作用是收集施加荷载之前和之后的自动化数据，以便监测桥梁变化和荷载影响，包括桥面板的温度、位移和几何形态、静态时的应力/应变分布，以及荷载试验中桥梁的整体性能。监测过程还需要使用传感器、数据记录器、气象站和地面测距定位传感器。

该项目需要先完成大量的基础工作才能得到试验结果。所有跨径的主横梁和次梁、对角梁、下弦梁上，共计要安装170个应变计、124个热电偶、6个位移传感器和8个多角度快速测量仪。但要在短时间内精准完成这些仪器的布置工作，有一定的难度。

自动气象站安装在普通跨距的中心，用于监测所有天气参数。包括气象站在内的所有传感器都连接到了自动数据采集系统以获取实时数据。

仪器的安装位置非常重要。首先，需要使用台车和挂篮才能将传感器安装到指定位置。另外，桁架构件上不允许焊接，所以要在没有焊接的情况下安装电弧焊的应变计。为了完成工作，安装团队使用了特殊的环氧树脂进行安装。团队设计了一种特殊的布置方式将位移传感器安装在桥墩上方的固定支座和自由支座上。历时10天，完成了300多个传感器的安装、适配和调试。

图4 安装位移传感器来测量伸缩缝的位移

博济比尔大桥监测工作完成，桥梁跨度的荷载试验和监测结果证实了试验前的假设。设计师Ramboll说，监测结果符合预期值，公路桥面与铁路桥之间未发现异常。

之后，又对公路和铁路载荷进行了组合静载试验。

在桥面板荷载试验中，通过在指定位置的结构框架上放置混凝土块和结构件的方式，匀速加载。通过24小时全天候对动态载荷的观察，完成对桥梁结构、部件位移和形态应变、周边温度、混凝土温度和桥体钢材温度、支座和伸缩缝的纵向位移等多项监测。

在轨道荷载试验中，荷载物为火车发动机和车厢。除此之外，轨道加载程序与之前的桥面板加载程序相似。同样，所有仪器都安装在钢结构、支座和伸缩缝上，并进行相应的监测。

在轨道和桥面板组合荷载试验中，混凝土砌块、带车厢的发动机和钢结构，同时被装载在铁路轨道和公路上。第一阶段通过将重量为2016吨的发动机和车厢停在两条铁路轨道上完成试验；第二阶段通过将发动机和车厢停在一条铁路轨道上完成试验，最大载荷为969.3吨。网络数据管理软件DRISHTI用于监测由于增量荷载而引起的应变、位移和温度的实时变化。

最后，关于晨间气温（高）、日出、日落和夜间温度（低）以及风动对应变、位移和温度影响的测量结果，也符合预期变化的结果。

本文介绍了在桥梁监测项目中涉及的监测方案、使用的工具以及决定性结果。简单来说，监测有利于延长结构物的使用寿命。众所周知，桥梁结构是交通基础设施的一部分，涉及的投资额巨大，将投资额中的重要部分用于桥梁的检查和维护，降低桥梁发生故障的概率，确保人们的生命财产安全。

在确定结构的安全性和可靠性方面，岩土试验监测仪器可以发挥较大的作用。例如，仪器会在出现情况时发出警报，避免发生任何可能导致桥梁完全倒塌的事故。仪器不仅适用于新建桥梁，还适用于需要维养的老旧桥梁。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2021年 第4期 总第16期

资料来源 / Encardio-rite公司官网

翻译 / 王冰

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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