摘要：本文创新性地提出桥梁全寿命监控系统理论：相应于桥梁建设过程中的设计阶段、施工阶段，全寿命监控系统理论设置相应的设计审查、竣工验收对其成果进行审查验收，以决定桥梁是否开始施工和投入运营。在关系桥梁质量的施工阶段，全寿命监控系统设置施工监控和施工监理予以过程监控，以保证桥梁的成功修建。进入运营阶段，全寿命监控系统理论设置实时监测对桥梁关键部位的结构状态进行监测，当监测数据超出规范允许范围时，通过检测评定环节对桥梁进行承载能力评定，以判定其是否安全。本文结合浙江一座钢管混凝土拱桥，详细阐述了桥梁全寿命监控系统理论在实际工程的具体运用，该桥的成功修建和建成以来的安全运营证明全寿命监控系统行之有效，可为以后类似工程实施提供参考。

　　关键词：桥梁全寿命监控系统 施工监控 实时监测

　　0引言

　　改革开放以来，我国的桥梁事业蓬勃发展，建设了一大批跨江跨海的大跨桥梁，桥梁设计、施工水平跻身世界前列。与此同时，近年我国桥梁安全事故也发生不断， 2007年5月，运营中的江苏常州运村桥半幅坍塌，2007年8月，正在施工中的湖南凤凰沱江大桥发生坍塌，2009年6月，运营36年的黑龙江铁力市呼兰河大桥坍塌……据不完全统计，仅2007年一年，国内就发生18起桥梁坍塌事故。如何保证桥梁的成功修建和安全运营?基于此问，笔者以安全为主线提出桥梁全寿命监控系统理论，并结合实际操作予以阐述，希望能对桥梁工程建设和运营维护有所帮助。

　　1 桥梁全寿命监控系统理论

　　众所周知，桥梁寿命过程如下：设计阶段——施工阶段——运营阶段——报废处理。研究多起桥梁坍塌事故可以发现，桥梁安全事故多发生于施工阶段和运营阶段，前者主要受限于施工因素，后者受困于设计隐患和使用不当问题。

　　图1.1 桥梁全寿命监控系统

　　桥梁全寿命监控系统理论认为，在桥梁寿命过程的每个阶段均应设置检验程序，检验每个阶段的成果，及时消灭桥梁的安全隐患，保证桥梁结构安全健康的进入下一个寿命阶段，并在桥梁事故多发阶段如施工阶段和运营阶段设置过程监控系统，从过程着手，在施工阶段及时纠正桥梁施工错误，减少经济损失，在运营阶段提前预见桥梁安全风险，进入检验评定程序，减少人民生命财产损失。桥梁全寿命监控系统框图如图1.1所示。

　　以设计审查复核设计，保证设计符合国家规范和业主使用要求;以施工监理监督施工，保证桥梁施工符合规范、设计要求;以施工监控指导施工，保证桥梁安全竣工结构，且内力线形合理;在桥梁竣工后进行以荷载试验为主的竣工验收检验其承载能力，保证竣工桥梁符合规范和设计要求;在桥梁运营过程中进行实时监测，当监测结果显示结构出现异常时对其进行检测评定，以确定是及时加固维修继续运营还是及时报废拆除，始终保证桥梁处于安全运营状态。我们把这一根据桥梁寿命过程设计阶段-施工阶段-运营阶段-报废拆除设置的阶段成果检验和过程监控系统合称为桥梁全寿命监控系统。

　　1.1 设计阶段

　　设计阶段是桥梁寿命过程的起点，也是决定桥梁结构状态的源头。设计审查检查设计是否安全可靠，是否符合国家相关规范要求。桥梁全寿命监控系统理论认为，设计审查不仅仅在设计完成后由设计审查单位进行，进入施工阶段后还需由施工监控单位依据施工实际情况进行再次校核，甚至优化。对于一些造型新颖的桥型，由两方或多方进行复核，可以提高其可靠度。

　　1.2 施工阶段

　　桥梁全寿命监控系统理论认为，施工监控解决安全施工问题，并使桥梁内力和线形符合设计要求。尽管设计者在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工中出现的诸多不定因素，事先难以精确估计，而且在实际施工过程中由于施工误差，会使实际结构与原设计不符。所以，在施工中对桥梁结构进行监测，并根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是十分重要的。目前由于种种原因，施工方往往不能完成这种调整，这时候就需要具有较强技术实力的施工监控方，对桥梁施工过程中一些变化因素作全方位的监测和控制，以保证桥梁成桥内力和线形符合设计要求。

　　桥梁全寿命监控系统理论认为，桥梁完工以后，需要通过竣工验收评定其是否可以投入使用。竣工验收一般设置竣工荷载试验评定桥梁结构承载能力，桥梁承载能力必须满足设计和规范要求才可投入使用。竣工荷载试验分为静载试验和动载试验。静载试验将一定比例设计荷载作用在桥梁上，测量主要结构变形、应力，对拱桥和斜拉桥还需测量拉索索力等参量，通过数据整理分析，评价其桥梁结构工作性能。动载试验则是实测其频率、冲击系数等动力参数并与理论值相比较，从而判定其动力性能。

　　1.3 运营阶段

　　桥梁竣工验收合格以后即进入运营状态，全寿命监控系统理论认为，进入运营状态的桥梁，必须进行实时监测，通过对桥梁应力状态、线形以及拱桥和斜拉桥拉索索力等主要力学参量的监测，结合施工监控数据，判断桥梁是否存在安全隐患，当数据超出设计和规范要求时，停止使用，进行旧桥检测评定，旧桥检测评定可通过荷载试验等多种试验手段判断桥梁承载能力，综合评定其是应该继续使用、维修加固后使用抑或报废拆除。

　　1.4 全寿命监控系统理论和一般设计复核、施工监控和实时监测的区别

　　全寿命监控系统不是原有建设程序与设计复核、施工监控、实时监测的简单相加，而是一个整体：设计审查校核设计并供施工监控参考，施工监控依据施工工艺等实际情况更加细致地校核甚至优化设计，同时其结果又为竣工荷载试验提供参考，施工监控得到的应力和线形等结果就是成桥状态，在成桥状态已知的情况下，竣工荷载试验检验其薄弱位置，同时避免出现危险。以此评定出桥梁承载能力，为运营后可能出现的问题预告，通过运营阶段的实时监测和依据监测结果所做的维修养护，始终保持桥梁结构处于安全状态。这样，在桥梁的整个寿命过程中，其应力等决定桥梁结构健康状态的关键力学参量都处于监控之中。

　　在全寿命监控系统中，显示桥梁结构状态的应力和线形等各种数据是传递而非静止和隔离的，在施工监控阶段埋设测试仪器时，就提前考虑实时监测的需求，这样代表桥梁结构状态一个个参量数据，如变形数据、应力和索力由一个状态(如施工监控阶段)传递至下一个状态(如运营实时监测阶段)，上一个阶段的数据为下一个阶段态的准确获得提供条件，下一个阶段的数据又校核上一阶段数据。这样，结合理论计算，全面掌握桥梁结构确切内力状态的愿望成为可能。

　　2、 工程实例

　　在杭甬运河拓宽改造工程一座钢管混凝土拱桥过程中，笔者结合上述桥梁全寿命监控系统理论，为该工程补充设置了施工监控、竣工荷载试验和实时监测，最大可能得实现了全寿命监控系统理论，现结合该工程实施过程，对全寿命监控系统理论做一详细阐述。

　　2.1 工程概况

　　该桥位于浙江省，跨越杭甬大运河。主桥为单跨88米下承式钢管混凝土系杆拱桥，横桥向设二片拱肋。由于该桥已完成设计阶段及设计审查进入施工阶段，依据上述桥梁全寿命监控系统理论，笔者在施工阶段补充设置了施工监控、竣工荷载试验和实时监测。施工监控根据现场实际情况，校核设计并指导施工达到实际要求的内力和线形。竣工荷载试验的结论作为竣工验收的重要一环，检验桥梁结构的承载能力。在施工时做好运营状态实时监测设备预埋工作，桥梁进入运营阶段后对结构关键部位和构件进行实时监测。

　　2.2 桥梁全寿命监控系统理论在施工阶段的具体运用

　　施工监理和施工监控是桥梁全寿命监控理论在桥梁施工阶段设置的重要保障手段，国家建设制度对施工监理有明确规定，本文不予赘叙，下文重点论述桥梁全寿命监控系统中施工监控和竣工荷载试验在施工阶段和施工阶段结束竣工验收的作用。

　　2.2.1施工监控

　　在全寿命监控系统中，施工监控不再孤立地仅仅指导施工，而是把桥梁的施工阶段纳入全寿命进程，以获得安全、舒适的结构、并精确掌握结构的力学状态为主要目的。

　　依据上述核心思想，施工监控不再以实现设计要求为唯一目标，而是对设计进行校核进而优化。在该桥施工仿真计算中，监控方发现成桥索力存在优化余地，并做出优化方案，经与设计沟通，设计同意该优化方案，成桥索力优化前后系梁应力如图2.1所示。

　　图2.1 优化后系梁应力 图2.2施工索力优化结果

　　在桥梁全寿命监控系统理论中，施工监控作为其中至关重要的一环，其重要性，不仅仅在于其校核并优化设计，还在于其指导施工保证最优的设计能成功实现。拱桥吊杆索力是关系其成桥线形好坏应力状态优劣的关键因素，在该桥施工过程中，监控方结合施工方吊杆张拉机具等实际情况，运用影响矩阵法进行了吊杆施工索力(张拉力)优化，制定了吊杆张拉方案。吊杆索力监控结果如图2.2所示(理论值为目标索力，实测值为实测索力)。

　　依据监控方的张拉方案施工，该桥成桥索力和设计索力误差大都控制在2%以内，全部控制在5%以内。另外，设计线型符合设计要求，实测应力与理论值拉压性质吻合，变化趋势一致，且实测应力小于理论值，不存在任何力学性能缺陷。

　　施工监控是全寿命监控系统理论中重要的一环，全寿命监控系统理论下的施工监控有以下几个特点：

　　1)校核并优化设计，在结构施工成型之前，施工监控是结构在理论上最优的最后一道保障。

　　2)指导施工实现最优目标。施工监控考虑施工工艺、环境等设计无法预先考虑的工程实际情况，识别施工参数和误差，并做出合理调整，以实现理论上最优的和顺线形和良好内力。

　　3)施工监控为成桥后实时监测埋设监测仪器，为竣工荷载试验和实时监测提供相关监测参数，使掌握结构精确的初始内力状态成为可能。

　　2.2.2 竣工荷载试验

　　全寿命监控系统理论认为，桥梁进入运营阶段前，必须进行竣工验收，竣工荷载试验是竣工验收的重要组成部分，通过实际荷载试验检验桥梁承载能力是否达到设计和规范要求，是否满足运营条件，同时找出桥梁结构的薄弱环节，以此决定桥梁结构能否投入运营，以及投入运营之后的监测和养护重点。

　　在全寿命监控系统理论中，显示桥梁结构状态的应力和线型等各种数据是传递而非静止和隔离的，施工监控的结果给竣工荷载试验控制断面及荷载效率系数的确定提供了重要的参考，该桥荷载试验控制断面以及荷载效率系数如表2.1所示。

　　表2.1 荷载效率系数表 理论加载工况 加载方式 控制项目 荷载效率系数hq 1 对称加载 拱脚断面 81.25% 拱肋1/4断面 90.76% 2 对称加载 拱肋跨中断面 91.32% 3 对称加载 拱肋1/4断面 84.07% 系梁1/4断面 93.76% 4 偏载 拱肋跨中断面 81.35% 竣工荷载试验需要测设挠度，应变等参量，该桥为拱桥还需测量吊杆索力，利用施工监控时埋设的应变测量设备及确定的索力测量参数，结合该试验时补充的仪器，该桥试验测得的数据结构更加真实可信。图2.3给出拱肋挠度实测值与理论值关系曲线。

　　图2.3 拱肋挠度实测值与理论值关系曲线

　　从图2.3可知，在试验荷载作用下，结构应变和变形的实测值小于理论值，实测值与计算值变化趋势吻合且数值接近，结合施工监控所得的成桥应力状态，结构应变和变形值的实测极值均满足桥梁规范的要求，结构始终处于安全受力状态。可以投入实际使用。

　　竣工荷载试验是竣工验收的重要组成部分，在全寿命监控系统理论指导下，该桥竣工荷载试验取得了良好的结果，说明了全寿命监控系统理论之可行性和有效性：由于施工监控提供的精确监测参数(如吊杆长度和索力测量参数等)，竣工荷载试验过程可以准确测得相关力学参量，同时施工监控结果显示的薄弱断面，在为竣工荷载试验确定试验控制断面提供参考的同时，又提醒试验者，试验过程中必须注意分级加载，保证安全。既保证了试验安全，又检测出薄弱断面的承载能力。

　　在全寿命监控系统理论中，竣工荷载试验作为施工结束与投入运营之间的关键节点，在评定出结构的承载能力之外，还为桥梁结构以后的运营维护重点指明了方向。

　　2.3桥梁全寿命监控系统理论在运营阶段的具体运用

　　该桥桥竣工两年，按规划，每半年应进行一次全面检测，采用施工阶段施工监控方预埋的测量仪器和相关测量参数等技术资料，可测得其真实应力状态和吊杆索力。并结合其他检测手段，比较竣工荷载试验得到的成桥状态，评估出结构是否处于健康运营状态。

　　在全寿命监控系统理论中，实时监测将根据竣工荷载试验结果，有方向性进行实时监测，并根据实时监测结果确定养护维修措施和频率，保证桥梁结构力学状态始终处于桥梁管理者的掌握之中，桥梁结构始终处于健康运营状态。

　　3 小结

　　本文结合浙江省一座钢管混凝土拱桥全寿命监控系统工程实例对全寿命监控理论进行了阐述，大桥安全运行两年以来显示，全寿命监控系统行之有效。

　　目前我国桥梁建设事业，设计复核，施工监控已经成为建设者的普遍共识，实时监测和旧桥监测评定也逐渐推广，但大都由不同科研单位进行，各阶段数据彼此割裂，无法互相参考辅助，监测得到桥梁结构内力状态大多存在较大误差甚至错误，不仅造成资源浪费，且易形成风险，此时需整合相关技术资源，使设计复核、施工监控和实时监测形成整体，组成全寿命监控系统。

　　参考文献

　　[1]康小兵 滕小竹.钢管混凝土拱桥全寿命监控系统研究.第十八届全国桥梁学术会议论文集.2008年

　　[2]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定.北京：人民交通出版社.2002年4月

　　[3]谌润水,胡钊芳.公路桥梁荷载试验.北京：人民交通出版社.2003年