基于健康監測系統的系桿拱橋安全評估

楊 勇， 胡幫義

(1. 廣州大學 土木工程學院， 廣州 510006； 2. 湖州職業技術學院 建筑工程學院， 浙江 湖州 313000)

·實驗技術·

基于健康監測系統的系桿拱橋安全評估

楊 勇1， 胡幫義2

(1. 廣州大學 土木工程學院， 廣州 510006； 2. 湖州職業技術學院 建筑工程學院， 浙江 湖州 313000)

為了對鋼管混凝土系桿拱橋進行有效的監測，確保其運營安全，以東莞市大汾北水道特大橋為工程背景，基于Midas Civil對該橋進行了有限元分析，介紹了該橋健康監測系統設計的指導思想、系統集成及總體框架流程、監測內容、監測點布設方案及各大子系統的功能和數據遠程傳輸組網方案。最后，基于在線監測系統實測數據，對該橋運營狀態進行了安全評估。結果表明：該橋總體受力和變形量值不大，均小于理論計算值，處于正常的范圍；橋梁總體處于安全、可控的狀態。

鋼管混凝土； 系桿拱橋； 健康監測； 安全評估

0 引 言

拱橋是一種較有競爭力的橋型，具有跨越能力較大、外形美觀、構造較簡單、耐久性好、養護維修費用較低等眾多優點[1]，在現代化的公路、鐵路等交通線路中得到了廣泛的使用[2-3]。系桿拱橋一般是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁板等組成的組合結構體系，隨著鋼管混凝土的廣泛應用，解決了拱橋材料高強化和拱圈施工輕型化的兩大問題。自20世紀90年代以來，我國陸續修建了大量鋼管混凝土拱橋。

20世紀80年代中后期，國外開始對橋梁安裝各種規模的橋梁健康監測系統[4-5]。例如：美國佛羅里達州的 Sunshine Skyway Bridge 橋上安裝了500多個傳感器對橋梁進行監測[6]；英國在Foyle橋上布設傳感器，監測橋梁運營期間主梁的振動、撓度等；丹麥的Great Belt East懸索橋、加拿大的Confederation Bridge橋，挪威的Skamsundet斜拉橋以及日本的明石海峽大橋等均建立了長期健康監測系統。國內對橋梁的監測和評估系統起步雖然較晚，但發展迅速，近十幾年來，我國在眾多大跨度橋梁上建立了健康監測系統。例如，香港的 Lantau Fixed Crossing大橋[7]、青馬大橋；大陸的虎門大橋、江陰長江大橋[8]等，這些健康監測系統在驗證結構設計、體現橋梁健康狀況、保證橋梁運營安全方面起到了巨大的作用。

我國鋼管混凝土拱橋的健康監測系統建設和相關技術研究相對斜拉橋和懸索橋等跨越能力較大的橋型來說相對滯后[9],眾多學者也一直在致力于該橋型健康監測系統的研究。陳釩[10]研究了某鋼管混凝土拱橋實時監測評估系統的構成和功能以及系統設計的關鍵問題，通過基于網絡的橋梁實時監測報警軟件(QLCBMWS v1.0)的開發，實現了鋼管混凝土拱橋的損傷診斷和性能評估。翠玉萍等[11]研究了某拱橋健康監測系統的關鍵技術和遠程診斷問題。譚永朝等[12]研究了錢江四橋的結構特點及其健康監測系統的系統設計方案，系統實現了多項監測功能。劉慧東[13]利用層次分析法建立了尼爾森體系鋼管混凝土拱橋的安全評估模型，并研究了橋梁健康監測方案和系統組成。鄭 淳等[14]也對廣州市新光大橋長期健康監測系統進行了深入研究。

本文以東莞市大汾北水道特大橋為工程背景，介紹了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的健康監測系統的系統構成和子系統實現方法，基于健康監測系統實測數據對其進行了安全評估，為今后類似橋梁的健康監測提供參考。

1 工程概況

大汾北水道特大橋位于東莞市萬江區大汾北水道三叉交匯口，是五環路市政工程的重要組成部分。主橋為單孔128 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋[15]，橋面按雙向八車道加人行道設計，分完全獨立對稱的左、右兩幅，每幅橋面寬24 m，由3.75 m人行道+0.5 m防撞欄+15.5 m行車道+0.5 m防撞欄+3.75 m過橋水管和檢修道組成。設計荷載汽-超20、掛-120級，人群荷載3.5 kPa，抗震設計按Ⅶ度設防。橋梁概貌如圖1所示。

每幅橋主拱圈拱軸線由拱腳直線段和曲線段組成，矢跨比為1/5，曲線段采用懸鏈線，拱軸系數為1.167。設兩片間距18.3 m的拱肋，截面為雙肢格構型，截面高3.5 m，寬1.05 m；在拱腳實腹段為雙肢啞鈴型。鋼管和鋼板均采用Q345C鋼材，混凝土采用泵送C50微膨脹混凝土。兩片拱肋間拱頂設一字形風撐1道，兩側對稱設K形風撐6道。

圖1 橋梁概貌圖

全橋拱肋共設2×23對吊桿，吊點中心間距5 m。吊桿采用擠包雙護層大節扭絞型成品索，其鋼束由85×φ7鍍鋅高強度低松弛預應力鋼絲組成，鋼絲標準強度1 670 MPa。每片拱肋下設12束12φj15.24鋼絞線作為水平系桿，鋼絞線標準強度1 860 MPa。橋面系由橫梁、加勁縱梁和π型車行道板及橋面后澆層組成，兩幅橋主墩墩身及承臺設為兩個分離式鋼筋混凝土結構，每幅橋的承臺間用系梁相連,兩墩身與帽梁固接形成一門式剛架結構。主墩基礎采用鉆孔灌注樁，每墩8根，設計為嵌巖樁。

2 橋梁健康監測系統設計

2.1 橋梁有限元分析

2.1.1 計算模型

為了合理設計本橋健康監測系統，考慮兩幅橋對稱，采用Midas Civil有限元軟件對單幅橋進行了空間有限元分析，共建立了1 075個節點、1 489個單元，建立單幅橋梁的有限元計算模型如圖2所示

圖2 單幅橋有限元計算模型

2.1.2 計算內容

由于有關該橋的相關設計、監控、試驗檢測及其他科研性的分析驗算均已做過[15]，故本文分析計算主要針對大橋實際情況及其健康監測系統要求，主要考慮橋梁各主要承重結構關鍵截面在活載(汽-超20、掛-120，人群3.5 kPa)最不利狀態下的峰值反應，計算結果為選擇采集測試元件服務，以及為健康監測進行數據參考。

2.1.3 有限元計算結果

(1) 拱肋。選取了拱肋的拱腳、L/8截面、L/4截面、拱頂截面進行內力計算。結果表明：在活載(汽-超20+人群)最不利狀態下，L/4截面、拱頂截面拱肋上弦桿最大應力分別為-16.1 MPa、-18.4 MPa； L/4截面、拱頂截面拱肋豎向最大變形分別為-21.6 mm、-17.3 mm。

(2) 橋面板。對橋面板計算選取了支點、L/2、L/4等主要截面。結果表明：在活載(汽-超20+人群)最不利狀態下，L/4、L/2截面最大豎向變形分別為-34.8 mm、-30.2 mm。

(3) 吊桿。在活載(汽-超20+人群)最不利狀態下，跨中截面位置的12#吊桿索力增量最大值為-0.231 MN，拱腳附近短1#吊桿索力增量最大值約為0.19 MN。

(4) 水平系桿。在恒載作用下，單根水平系桿拉力為0.19 MN；在活載(汽-超20+人群)最不利狀態下，單根水平系桿拉力增量最大值約為9.2 kN。

(5) 橫梁。對橫梁計算選取了端部、L/2、L/4等主要截面。結果表明：在活載(汽-超20+人群)最不利狀態下，跨中截面、L/4截面附近橫梁應力增量分別為4.15 Pa、3.71 Pa。

(6) 動力特性分析結果。計算了該橋前5階的頻率和振形，如表1與圖3、4所示。

表1 前5階的自振頻率和振形特點

(a) 三維圖

(b) 平面圖

2.2 系統設計的指導思想

(a) 三維圖

(b) 平面圖

本橋健康監測系統構建需考慮外部健康監測手段及大橋結構本身特點兩大因素，外部監測手段大體可以分為傳感器在線監測和人工巡檢(包括人工目視巡檢)；另外，本橋結構本身具有以下特點：恒載效應主導，活載效應較小，該橋已處于成橋狀態，恒載反應已經發生，僅能對實際荷載的效應予以監測。因此，該橋的自動化監測對元器件的精度、參數及選型提出了更高的要求。

總體指導思想是：基于結構的危險劃分為結構損傷和結構狀態的不利性改變兩大類，結構狀態的不利性改變主要通過自動化傳感測試系統進行監測；而結構的局部損傷和小量值結構狀態不利性改變(元器件精度達不到的前提下)則主要通過人工巡檢及監測系統實現，上述兩部分相輔相成、互為補充。基于此建立本橋健康監測系統主要包括[16]：自動化傳感測試子系統、人工巡檢監測子系統和損傷識別及綜合安全評估子系統三大部分。基于危險性分析和不同應對策略的監測系統建立的總體思路如圖5所示。

圖5 監測及安全監控預警系統總體思路

2.3 系統集成及總體框架流程

大汾北水道特大橋造型獨特，結構復雜，針對大橋的受力特點，確定監測項目和監測位置，并根據目前技術水平及經濟條件提出針對不同危險情況采用不同的監測手段。本系統主要由以下子系統組成。

(1) 監測子系統。包括自動化傳感測試子系統和人工巡檢監測子系統[17]。自動化傳感測試子系統通過傳感器將各類監測信號轉換為電(光)信號并進行自動采集和遠程傳輸，人工巡檢子系統采用人工監測的方式。

(2) 數據采集與傳輸子系統。在現場采集各類監測信號，將監測信號轉換為數字信號，現場采集的數據進行篩選、挖掘，提取與橋梁結構密切相關的數據信息，再進行遠程傳輸，這需要數據采集與傳輸子系統來完成。

(3) 數據分析、評估與預警子系統。數據處理與分析子系統將采集系統收集到的數據進行預處理后提交給后續子系統使用，結構健康評估子系統主要對獲取的各類信息進行相應的信息處理，其子系統包括：結構狀態與損傷識別模塊、結構健康評估模塊，分別完成基于靜、動力測試數據的內力狀態及損傷識別和基于監測信息以及巡檢信息對結構進行健康狀態的評估并對危險狀態進行預警。

系統構成及總體框架流程如圖6所示。

圖6 系統構成及總體框架流程相關關系圖

2.4 系統監測內容

本系統主要監測橋梁所在地環境、結構幾何狀態、結構響應與損傷、動態特性與振動響應、交通荷載源等幾個方面的內容。

2.5 自動化監測測點布置方案

本系統在該橋共布置測點65個[18]，傳感器共計102個。以左幅橋為例，具體測點布置如圖7所示。

圖7 自動化監測測點布置方案(以左幅橋為例，mm)

2.6 人工巡檢子系統總體方案

人工巡檢監測主要針對該橋養護管理人員可以到達的主要控制構件的內、外表面，目的是盡早檢測到發生于結構上的局部表觀損傷并適時加以維修，避免突發惡劣事故發生，同時彌補自動化監測系統的不足，該橋人工巡檢監測的內容主要包括：① 橋面系、拱肋、吊桿、系桿、墩臺基礎、支座及伸縮縫等構件損傷狀況；② 對拱肋變形、橋面變形進行監測，生成定期監測報告；③ 將檢查記錄、現場照片以及監測數據等輸入“數據分析和處理系統”；④ 自動監測與人工巡檢數據結合，對橋梁結構狀況進行綜合評估。

2.7 長期觀測基準網布設方案

在河流兩岸各布置1個基準點和1個工作基點，大橋4個拱座處各布置1個工作基點，共8個測點，構成平面基準網由構成緊密穩定多個多邊形結構，如圖8所示。基點是以由兩根樁徑為50 cm的混凝土樁為基礎的鋼筋混凝土墩柱為觀測臺，觀測臺頂部埋入銅質歸心裝置。變形觀測點采用專制標心。

2.8 數據遠程傳輸組網方案

橋梁健康監測系統通過通信網絡系統進行數據的遠程傳輸，數據傳輸協議采用以太網協議和TCP/IP協議。橋梁健康監測系統將分布在橋梁上各個點的傳感器信號按不同的要求頻率進行采集，送往相應的數據采集點。各采集點計算機和采集工作站計算機通過工業以太網聯成一個計算機網絡，數據通過安全性能較高的VPN網絡通道傳輸。組網方案網絡拓撲圖如圖9所示。

圖8 長期觀測基準網布設示意圖

圖9 橋梁健康監控平臺網絡拓撲圖

2.9 綜合安全評估系統總體方案

結構運營監測和綜合管理系統中的綜合評估系統應根據監測數據、識別數據及損傷直接檢測的數據進行綜合的評估。評估結果應明確、直觀，面向多級橋梁管理人員，并明確給出橋梁的運營狀況及維修建議。綜合評估采用自動評估及專家評估相結合的方式，自動評估由計算機完成，專家評估由專家定期以現場專家會或遠程的方式進行[19]。系統功能如圖10所示。

3 初步監測結果及評價

3.1 索力監測

表1結果表明：系桿所受最大拉力為3.88 kN，總體變化不大，處于正常范圍內。

圖10 結構安全綜合評估子系統功能模塊

表1 系桿索力監測結果 kN

表2結果表明：短吊桿伸長，最大位移量7.61 mm，總體變化不大，處于正常范圍內。

表2 短吊桿伸縮量監測結果 mm

3.2 變形監測

結果表明：橋面梁體向北縱向最大位移量8.59 mm，向南最大位移量9.13 mm，總體變化不大，處于正常范圍內。拱橋橋面線形呈上撓趨勢，上撓最大處為右幅靠近快車道的跨中測點，上撓量為14.6 mm，稍微有所上撓，但處于正常的范圍。

3.3 結構應力監測

拱肋處于受壓狀態，最大應力為928 kPa；橫梁處于受拉狀態，最大應力為2.31 MPa，總體均變化不大，均處于正常范圍內。

4 結 語

大汾北水道特大橋作為鋼管混凝土系桿拱橋的典型代表，橋型結構復雜，影響結構受力、使用、安全及耐久性的因素眾多，而該橋交通地理位置特殊而重要。本文以該橋為工程背景，介紹了該橋結構健康監測系統的設計思想、監測內容、系統構成及各大子系統的實現方案，達到了對該橋高效、實時、自動化、系統全面監測。

監測結果表明：該橋在本階段運營過程中，相對初始測量狀態，橋梁的總體受力和變形量值不大，均小于理論計算值，處于正常的范圍。而拱肋和橋面線形呈上撓趨勢，初步判定主要是由于溫度變化及測量誤差等因素綜合所致，橋梁總體處于安全、可控的狀態。

本橋建立的健康監測系統，運行高效，狀態良好，方便了各項數據的采集工作，提高了管理自動化和信息化水平，為實際橋梁的今后健康監測提供依據，可為同類橋梁的在線監測提供技術方案參考。

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·名人名言·

我們應該不虛度一生，應該能夠說，“我已經做了我能做的事”。

——居里夫人

Security Evaluation of Tied Arch Bridge Based on Health Monitoring System

YANGYong1，HUBangyi2

(1. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. Institute of Architectural Engineering, Huzhou Vocational & Technology College, Huzhou 313000, Zhejiang, China)

In order to monitor the concrete-filled steel tube tied arch bridge effectively, and to ensure operational safety, in the engineering background of Dafenbei Shuidao Super Large Bridge in Dongguan, the finite element analysis for this bridge was completed based on Midas Civil at first. This paper introduced the design guiding principle, system integration, framework flow, monitoring content and survey point distribution, the function of each subsystems, data remote transmission and networking technology of the bridge health monitoring system. At last, the running safety status of this bridge was evaluated based on the data measured by the on-line monitoring system. The results show that the total stress and deformation are not large, the values are less than the theoretical calculating values and all the numbers fall within normal ranges. The bridge is in a safe, controllable operating state totally.

concrete-filled steel tube; tied arch bridge; health monitoring; security evaluation

2016-05-04

國家自然科學基金資助項目(51278134，51278137，51308137)

楊 勇( 1978-) ，男，湖北孝感人，講師，從事橋梁結構分析、監測及加固方面的研究。

Tel.:13824441803； E-mail: 462311570@qq.com

U 448.22

A

1006-7167(2017)02-0005-05