西北地區某非對稱斜拉橋健康監測系統設計

李萬會

甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司，甘肅蘭州 730000

1 工程概況

西北地區某非對稱斜拉橋橋梁總長240m，寬40m。是一座獨塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為155m+45m+40m。其中，輔跨45+40m，為預應力混凝土結構，主跨長155m，為鋼箱梁，梁高均為3m；采用雙索面，扇形布置，每側索面共有12對，全橋共48根斜拉索。斜拉索順橋向間距為10m （鋼梁側） 和5m （混凝土梁側） 。

2 設計目標

通過組建一個實用、可行的監測系統，并在其基礎上建立一個集數據采集、處理分析、狀態評估以及預報警等功能于一體的綜合健康監測系統以實現以下目標：

（1） 通過車輛監測監控，掌握運營過程中，橋面車流量、車速等交通荷載信息；

（2） 通過橋梁靜力響應監測監控，掌握大橋實際力學行為特征和使用狀況，并為分析其長期變化趨勢提供數據支持；

（3） 通過對橋梁結構動力響應的監測監控，掌握結構運營期振動水平以及結構整體剛度，為判斷結構正常使用狀況和整體力學狀況提供依據；

（4） 通過幾何和力學參數的連續監測監控，記錄大橋可能經歷的重大荷載及事故歷程，并判斷大橋是否因此出現損傷或運營狀況異常；

（5） 建立科學有效的自動化結構狀態預警及安全評估機制和軟件系統，根據監測監控數據及時對異常結構響應實施預警報警，為橋梁管養決策提供技術支撐。

3 監測系統內容及傳感器布設

3.1 監測系統內容

西北地區某非對稱斜拉橋結構健康監測系統的內容主要是根據大橋自身的結構特點，綜合考慮大橋所處的環境和當前的結構狀況來設計，具體如下：

（1） 環境荷載監測：風荷載和環境溫濕度監測；

（2） 橋梁溫度場監測：主梁和主塔的控制截面結構溫度分布；

（3） 交通荷載監測：橋梁的車輛荷載及交通狀況監測；

（4） 橋梁應變監測：主梁及主塔控制截面的應力；

（5） 橋梁振動監測：監測主梁和主塔結構振動及其動力特性；

（6） 空間位移監測：主梁豎向和橫向位移、主梁的扭轉位移，主塔塔頂偏位；

（7） 索力監測：監測拉索的索力及其變化。

3.2 監測系統硬件總體架構

系統硬件總體架構如圖1所示。

圖1 系統硬件總體架構

3.3 監測系統軟件總體架構

該橋結構健康監測系統為分布式監控系統，所有系統功能的實現與系統的軟件結構密切相關。監控系統中各種傳感器的采集數據都將作為后續結構健康評價的基礎數據進行綜合分析，因此雖然各系統從功能和結構上而言是分布建立的，但其整個系統的所有軟件必須作為一個有機的整體進行設計、匹配和調試。整體軟件架構如圖2所示。

圖2 系統軟件總體架構圖

4 傳感器的布設

根據該橋內力包絡圖并結合規范要求以及橋梁的實際情況，傳感器測點布置如圖3所示，監測儀器設備見表1。

圖3 主橋健康監測系統測點示意圖

表1 自動化數據采集監測傳感器設備

5 結語

大跨橋梁健康監測對于我國西北地區來說是一個全新的研究領域；同時，橋梁健康監測系統的設計即囊括了橋梁結構分析、傳感器技術，也涉及到網絡工程、數據庫系統、信息技術等多方面的理論技術。健康監測過程中所得到的數據對于橋梁的運營和養護工作具有指導作用，它能夠顯示橋梁結構病害所在的位置，對橋梁超重、梁體傾斜、結構內力、撓度等重大事件進行預警，尤其能對一些傳統的監測方法無法到達的部位進行監測，保證橋梁結構的正常使用。該橋作為西北地區的一個標志性建筑，健康監測系統的設計力求做到綜合考慮各方面的影響因素，為管理者提供更準確地數據指標以維護大橋的正常運營。