混凝土桥梁常见病害及桥梁健康监测系统浅析

摘要：针对我国“老龄”桥梁日益增多，本文主要介绍了桥梁病害的原因以及健康安全监测系统的内容、原理和重要性。

1前言

随着我国市政桥梁事业的发展，既有的许多桥梁亦逐渐进入了养护维修阶段，有关专家认为桥梁使用超过25年以上则进入老化期,据统计,我国桥梁总数的40%已经属于此范畴,均属“老龄”桥梁。随着时间的推移,其数量还在不断增长,因此桥梁管理者对桥梁养护日益重视。

2混凝土桥梁常见病害

2.1外界环境损伤

混凝土桥梁因外界环境因素降低材料的受力性能，从而严重影响结构的承载能力和运营能力。这主要是由于混凝土桥梁结构因施工和本身缺陷不免在结构表面和内部存在孔洞和微裂缝。从而使外界环境中的水和空气通过孔洞和微裂缝侵入到结构内部，与钢筋和混凝土产生复杂化学反应，发生氯离子侵蚀、碱一骨料反应、混凝土碳化等逐步降低材料的受力性能。

1. 在海洋环境、采用化冰盐化解路面、桥面的冰雪时，氯离子从外界环境通过结构表面初始裂缝渗入内部，致使钢筋锈蚀。在酸性气体的侵蚀下，混凝土结构内部的碱性环境会逐渐减弱，pH值降低。当钢筋周围的pH值小于9时，钢筋表面的钝化膜就会遭到破坏而产生锈蚀。

2. 在混凝土配制时，水泥中的碱和骨料中的活性硅在水的作用下发生化学反应，生成碱一硅酸盐凝胶，并逐渐吸水膨胀产生结构内应力，从而造成混凝土开裂的现象。这种裂缝和对工程的损害随着碱骨料反应的发展而发展，持续时间很长，严重时会使工程崩溃。

3. 当外界环境中的水渗入已经产生裂缝的混凝土结构后，在低温环境下，水在裂缝中不断的结冰、融化。经多次冻融循环后，混凝土结构中的裂缝不断的扩大和扩散，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。

外界环境所生病害一般发展较为缓慢，但当这种病害发展到一定程度还不及时采取合理的保护和养护措施，随时间推移也会对结构构成严重破坏。

2.2超载损害

大部分既有桥梁建成与使用时间过久，加之早期规划、施工和设计等经验不足，造成桥梁结构承载能力过低，运营过程中桥梁超荷使用，所以其存在的安全隐患严重影响其正常运营与使用寿命，主要原因如下：

1. 早期规划不足，重型车辆严重超载，大大超过桥梁正常运营荷载，从而使桥梁超设计预期损害;

2. 设计经验不足，致使某些桥梁存在潜在安全隐患;

3 施工方法不当或施工中偷工减料造成桥梁实际承载力不够，造成运营中桥梁超荷使用;

4 特殊荷载与作用对桥梁结构的损害，如超预期洪水、地震、船只冲撞所造成的损害积累;

5.桥梁后期维修和养护不当，桥梁结构附属设施破坏严重，间接加快结构部件的损坏，从而造成桥梁结构承载能力下降等。

3桥梁健康监测系统

桥梁在运营过程中，由于外界环境影响，超荷载使用、疲劳效应等不利因素，将不可避免地出现老化现象，甚至导致突发安全事故，为此必须对桥梁进行健康安全监测与预警。通过随时掌握桥梁的健康状态，一方面为大桥管理与养护维修工作提供可靠理论依据;另一方面，还能通过对采集数据的处理分析评估桥梁的健康状态，保证桥梁正常运行的同时，提醒桥梁管理者采取适当的桥梁养护措施以提高桥梁的服务水平及使用寿命。桥梁健康监测系统主要由自动检测与数据采集系统、远程数据控制系统和数据分析与评估系统组成。

3.1自动检测系统

桥梁自动检测系统是桥梁健康监测系统中的主要硬件部分，根据桥梁健康监测系统的监测内容，选用不同类型的传感器安装在适当的监测点，并通过数据采集设备与计算机网络相连接，以实现检测数据的自动采集、处理与远程控制。传感器按照监测内容不同分为作用监测和结构响应监测，其类型与使用方法见表1和表2：

传感器布设要以经济合理和适用的原则，并结合桥梁受力特点，对其监测项目以及布设点进行分析和优化。对特殊、重要部位进行重点，监测设备能力和传感器数量等也应具有适度冗余，以确保系统的可靠性，并满足系统日后模块系统升级。传感器施工应尽量减少对桥梁结构的损伤。

3.2数据采集系统

数据采集与传输系统由分布在桥梁的多个数据采集站和光(数字)信号传输网络组成。数据采集站应具有数据采集、预处理、传输等工作。首先传感器读数向物理量的转换过程，将有效的测试物理量向结构特征参数的转换，然后提取有效数据并进行数据滤波，最后通过光纤调制解调器将经过预处理后的数据传送至监控通信收集中心。数据处理程序图见图1：

3.3安全评估系统

安全评估系统主要依据数据采集系统传输的监测数据，分析获取桥梁结构特征参数，建立桥梁结构工作状态评定与损伤识别机理，以实现对桥梁结构的安全评估，也为桥梁安全使用提出可靠理论依据以及桥梁潜在危险提供预警信号。

数据分析主要采用基于结构振动的损伤识别方法，其基本原理是结构的模态参数(固有频率、模态振型等)与结构物理特性(质量、阻尼和刚度)之间存在一定函数关系，因而物理特性的改变会引起系统动力响应的改变[2]。

4结论

我国公路市政桥梁发展迅速，陈旧桥梁出现的病害和安全隐患频率日益增长。因此需针对桥梁病害所生原因，利用传感器自动监测技术与网络传输技术，将引起桥梁危害的特征值采集并传输的安全评估系统中心，最后利用基于结构振动的损伤识别方对既有监测桥梁进行危害评估和安全预警。