韓　駿， 韓　璐

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550014)

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貴州高速公路在役懸索橋健康監測系統對比分析

韓駿， 韓璐

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550014)

在目前健康監測傳感器和監測方法快速發展的情況下，如何從經濟性、適用性、穩定性等方面進行監測系統的優化設計和傳感器的合理選取是尤為重要的課題。通過對比兩座在役橋梁健康監測系統總結鋼桁梁懸索橋監測系統的構成、監測項目及常用監測設備，分析某些監測設備的優缺點和適用情況，以期為后續同類型特大橋健康監測系統設計、后期維護升級及管養人員培訓工作提供參考。

鋼桁梁懸索橋；健康監測系統；系統設計；傳感器選型

貴州地處中國西南內陸，山地、丘陵多，溝谷跨度大，貴州高速公路多年來建成了很多建造難度高、技術含量高的特大橋梁，這些橋梁結構形式的獨特性及重要地位對橋梁的安全性、耐久性、可維護性提出了較高的要求。

運營期安全監測及養護管理系統是一套配合大橋存在的永久性監測系統，該系統綜合多種智能化監測技術手段，對大橋的運營環境和結構關鍵力學狀態響應參數進行全天候自動化監測。系統可自動完成數據采集、存儲、分析處理、狀態評估與預警報警工作，并利用大數據和互聯網+模式實現電子化人工巡檢，指導大橋管養單位及時采取有效措施管控交通，并對突發事件和結構異常進行處理，最大限度減少損失和不良影響；及時掌控橋梁的運營狀態，達到防患于未然的目的；提高檢查、養護、維修等功效，避免橋梁損傷的擴大化；合理分配使用橋梁養護維修資金，節省大修產生的巨額投資；延長大橋的服務年限，保證生命線工程的正常運營及交通大動脈的安全暢通。

貴州高速公路在役橋梁健康監測項目啟動較晚，計劃近幾年內陸續在多座特大橋梁上增設該系統，在目前健康監測傳感器和監測方法快速發展的情況下，如何借鑒實際應用經驗從經濟性、適用性、穩定性等方面進行新系統的優化設計和傳感器的合理選取顯得尤為重要。

本文通過對比分析兩座橋梁健康監測系統，總結大跨度鋼桁梁懸索橋健康監測系統構成、監測項目及常用監測設備，分析某些監測設備的優缺點和適用情況，以期為后續同類型特大橋健康監測系統設計、后期維護升級及管養人員培訓工作提供參考。

1　工程概況

A橋和B橋均為單跨簡支鋼桁梁懸索橋，主梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分；主桁架采用整體節點板連接，為帶豎腹桿的華倫式結構，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成；在鋼桁梁主桁架端部下弦桿底面對應端豎腹桿的位置各設置一個豎向支座，全橋共計4個。

A橋主跨1 088 m，懸索跨徑組成為(248+1 088+228) m，主纜矢跨比為1/10.3，主纜橫橋向間距為28.0 m，吊索順橋向間距為10.8 m，東錨碇為重力錨，西錨碇為隧道錨。鋼桁架由主桁架、主橫桁架和上、下平聯組成，主桁架的桁高為10.0 m，標準節間長為10.8 m，兩片主桁架左右弦桿中心間距與主纜間距相同，為28.0 m。正交異性鋼橋面板由橋面板、U型加勁肋、縱向板肋、橫隔梁和倒T形縱梁組成，倒T形縱梁與主橫桁架上橫梁的上翼緣板之間設置拉壓式盆式橡膠支座。正交異性鋼橋面板在橫橋向分為左右兩幅，每幅橋面板在端部10個節段作為一聯，中部每20個節段作為一聯，全橋共設置6聯，每兩聯之間設有伸縮縫。A橋健康監測系統于2009年完成設計，2011年進入試運行階段，2015年10月完成系統的維護升級工作。

B橋主跨1 130 m，懸索跨徑組成為(258+1130+345) m，主纜矢跨比1/10，主纜橫橋向間距為27.0 m，吊索順橋向間距為15.2 m。主桁架的桁高7.0 m，標準節間長7.6 m。兩片主桁架弦桿中心間距27.0 m。正交異性鋼橋面板由橋面板、U型加勁肋、三道縱梁和兩道次橫梁組成，橋面板與主橫桁架上橫梁頂面平齊，板桁結合。B橋健康監測系統于2015年底完成設計安裝工作，目前正處于試運行階段。

2　系統構成

橋梁結構的健康監測系統服務于橋梁的安全運營狀態監控和養護管理，其設計和構建是一套集先進傳感技術、計算機技術、信息技術以及結構力學分析計算、結構狀態評估理論于一體的綜合系統工程。結合本身結構特點，以及大橋預警、評估和管養決策方面的要求，對比A橋和B橋健康監測系統，總結鋼桁梁懸索橋由以下5個子系統構成[1-2]：

自動化數據采集與監測子系統主要完成傳感器數據的采集、信號調理以及數據傳輸工作，對監測信號進行預處理以及二次處理以向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序監測并控制監測參數的采集。主要包括傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊和數據處理與控制模塊。

數據處理與管理子系統實現整個大系統全壽命期橋梁的所有動態、靜態有效數據的處理及管理工作，完成資料、信息、數據的歸檔、查詢、存儲、管理和調用等工作。

監測與評估軟件子系統主要提供橋梁結構監測及巡檢管理的人機界面，是用戶與健康監測系統的交互平臺，實現將各種資料、信息、數據實時按授權要求向不同用戶展示，并且接受用戶對系統的控制與輸入。

電子化人工巡檢子系統由巡檢養護手冊和電子化巡檢養護系統組成，包括各種層次和頻度的巡檢(日常巡檢、主要檢查、重點檢查、全面檢查)；自動化制定巡檢計劃，并按照規范提供電子化巡檢內容表格、評分標準；提供便捷的巡檢信息數據庫錄入手段和接口。

綜合預警與安全評估子系統主要通過對現場關鍵部位的應變、變形、溫度、索力等信號進行統計、分析，根據監測數據進行結構狀態與損傷識別，并綜合識別的結果以及巡檢結果對橋梁結構的安全使用狀況進行預警評估。

3　監測內容與監測手段

系統分為環境荷載、幾何變形、結構內力、動力響應4個監測內容[1]，兩座橋梁具體監測項目及監測設備如表1所示。

表1　兩座橋梁監測項目及監測設備

兩座橋梁監測項目總體上相同，個別監測項目存在差異，例如分別使用了兩種傳感器監測支座變位情況，磁致伸縮位移傳感器是利用兩個不同磁場相交產生的應變脈沖信號，通過時間換算被監測結構的準確位置，測量范圍50～7 600 mm，非接觸式測量，費用較高；拉繩式位移計利用拉繩移動時精密旋轉感應器輸出與拉繩移動距離成比例的電信號換算被監測結構的準確位置，測量范圍100～1 000 mm，接觸式測量，費用高。拉繩式位移計結構小巧，安裝空間尺寸小，靈敏度高，但為接觸式測量利用拉繩的滾動來測試位移，長期使用易于磨損，且在使用過程中容易進灰塵導致拉繩被卡死，耐久性較差，難以滿足長期監測要求。

另外，值得注意的是，由于B橋特殊的板桁結合的結構形式，主跨橋面板無伸縮縫，無需監測伸縮縫處支座的變位情況，在橋梁管養過程中，可以節省監測費用及伸縮縫、支座的維修費用。

A橋磁致伸縮位移傳感器、風速風向儀、溫濕度傳感器、壓力變送器、GPS測量系統、力平衡加速度傳感器已正常運行6年，穩定性良好；電感線圈壓電薄膜傳感器在使用中易受車輛振動的影響使預埋線圈破壞、傳感器失效，安裝過程中要注意做好保護措施，例如線槽切割倒角和填充緩沖泡沫等。B橋傳感器安裝使用時間較短，有待日后補充。

4　數據采集及數據處理分析

兩座橋梁傳感器采樣頻率及各監測項數據處理功能[1-3]如表2所示。不同的橋梁根據實際情況的不同，傳感器的采樣頻率有所差異，但各監測項數據處理功能和分析內容相同。

5　結束語

對比分析兩座橋梁健康監測系統建設情況，總結大跨度鋼桁梁懸索橋健康監測系統5大子系統及每個子系統的功能；監測項目及常用監測設備為機械式風速儀、三向超聲波風速儀(風荷載)、電感線圈壓電薄膜傳感器(動態交通荷載)、GPS測量系統(空間變位)、力平衡加速度傾斜儀(橋塔偏位)、壓力變送器(主梁線形)、光纖光柵應變傳感器(應變)、附著式索力傳感器(索力)、力平衡加速度傳感器(結構動力特性、地震動)；分析磁致伸縮位移傳感器和拉繩式位移計的優缺點以及傳感器采樣頻率和各監測項數據處理功能。綜上所述，以期為后續同類型懸索橋健康監測系統設計、后期維護升級及管養人員培訓工作提供參考。

表2　傳感器采樣頻率及各監測項數據處理功能

[1]紀為祥,郭翠翠,李星新,等.貴州壩陵河大橋健康監測系統設計[J].世界橋梁, 2012, 40 (3): 15-19.

[2]王祺明,孫智,周哲峰,等.上海長江大橋結構健康監測系統設計思路[J].世界橋梁, 2009(S1): 34-37.

[3]王戒躁,鐘繼衛,王波,等.大跨橋梁健康監測系統設計構成及其進展[J].橋梁建設, 2009(S2): 7-12.

韓駿(1990～)，男，碩士，主要從事高速公路養護與管理工作；韓璐(1989～)男，碩士，主要從事高速公路養護與管理工作。

U446.3

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[定稿日期]2016-03-02