自動化監測橋梁管養系統在懸臂鋼掛梁橋上的應用

姚霞霞 （嘉興市南湖區公路管理段，浙江 嘉興 314051）

0 前言

S202(07省道)焦山門大橋跨越嘉興市平湖塘，是嘉興市東西走向的重要節點，該橋建于1997年，全長222.3m，橋寬 15m，跨徑組合為 3×20m+（23+54+23）m+3×20m=220m，橋梁法線與河道中心線順交48。；主橋采用變截面預應力鋼筋混凝土單懸臂T梁+鋼掛梁，引橋為6孔20m預應力混凝土空心板梁上部結構。設計荷載等級為汽車-20級、掛車-100及人群-3.5kN/m2[1]。

焦山門大橋自建成以來，由于后期超載及車流量增多的原因，鋼橋面破損嚴重。經多次維修后，于2010年采用鋼板焊接的方式加高主橋鋼掛梁結構層9cm，橋面鋪裝采用6cm厚ERS體系樹脂瀝青混凝土鋪裝[2]。但到2013年橋面又破損嚴重，同時檢測發現主橋鋼掛梁整體有較大橫向變位，掛梁護欄與懸臂處護欄有較大錯位，2015年該橋被評定為四類。

為保障該橋的通行安全，尤其是為綜合解決鋼橋面疲勞裂紋和鋪裝易損壞的問題，2016年主要對主橋36.6m鋼掛梁采用鋼-超韌混凝土STC（Super Toughness Concrete）輕型組合橋面進行施工，具體維修內容包括拆除原鋼箱梁上加高層鋼板并鑿除原瀝青混凝土橋面；焊接栓釘并設置鋼筋網，鋪設70～178mm厚的鋼-超韌混凝土STC，STC層上鋪設50mm厚SMA瀝青混凝土磨耗層[3]。

經過一年的運營，為掌握大橋在維修改造后的使用狀況，確保橋梁結構的安全運營，2017年12月對該橋進行特殊檢查，根據檢查結果開始對主橋懸臂鋼掛梁建立安全檢測系統，通過遠程自動實時監控，準確了解其在車輛荷載作用下的整體位移情況及車輪荷載作用下的局部變形情況，為橋梁下一步管養提供科學、有效的決策具體重要意義。

1 橋梁特殊檢查情況

為了解焦山門大橋目前的實際技術狀況，對全橋進行特殊檢查，通過全面細致的外觀檢查、橋梁結構無損檢測及橋梁上部結構控制截面的承載能力檢算，焦山門大橋上部結構主梁的承載能力均能滿足設計汽車-20級、掛車-100荷載的安全承載要求，STC輕型組合鋼橋面改善局部剛度效果明顯，局部變形不明顯，以整體變形為主，橋面鋪裝使用良好，同時橋梁線形、混凝土專項檢測等都能滿足設計要求，存在的主要問題是第5跨掛孔鋼結構主梁發生整體橫向偏移，最大橫向偏位值Dmax=10.5cm，但與2016年維修前的檢測數值10.5cm一致，無進一步橫向偏移發展。發生偏移的主要原因為該橋斜交角度較大，且在兩端牛腿處未設置橫向限位裝置，在橋面車輛荷載及溫度的作用下，主梁往銳角方向爬移所致[4]。

為動態重點掌握該橋的移位和變形情況，為后續橋梁的養護、維修或加固提供基礎數據和技術依據，對主橋懸臂鋼掛梁建立安全檢測系統，通過遠程自動實時監測變形和應變，確保橋梁結構的安全運營。

2 安全監測系統

2.1 安全監測系統總體設計

焦山門大橋自動化安全監測系統是一個跨結構，集工業傳感器、工業自動控制、網絡傳輸、信息實時采集、結構狀態分析、信息發布顯示、軟件集成領域為一體的綜合性系統集成項目，物聯網的形式進行展現，主要包含變形監測系統、應變監測系統以及軟件系統，其中變形監測系統主要分為整體位移監測系統以及撓度監測系統兩部分[5]。

變形監測系統及應變監測系統主要以智慧硬件配合無線傳輸，實時采集并上傳數據，而軟件系統具有自動化數據采集、數據分析、結構預警和數據管理等功能，以客戶端及移動終端的形式直觀展現采集所得數據，具有實時報警、自動分析數據，管養單位可通過互聯網實時查看焦山門大橋的工作狀態，更準確的動態把握該橋的技術狀況水平。

2.2 主要監測內容及測點布置

焦山門大橋主要監測內容及測點布置 表1

2.3 安全監測情況

2.3.1 監測概況

焦山門大橋自動化安全監測系統于2017年12月完成軟件及硬件安裝調試，并于2018年1月正式投入使用，到目前為止已運行了1整年（12個月）時間，運行期內未出現軟件系統崩潰，關鍵硬件損壞等問題，系統整體運行狀況良好，部分監測畫面如下圖所示。

圖1 焦山門大橋自動化安全監測系統軟件界面（整體位移監測）

2.3.2 監測數據

根據歷年檢測報告、相關規范及橋梁模型計算，在考慮橋梁最不利荷載位置計算的最小值作為各模塊限值（報警值），通過焦山門大橋2018年1整年的監測數據可以看出，該橋整體位移、撓度、應變監測數據均在安全范圍內浮動，處于安全狀態。偶有較大數據，經分析較大數據與重車過橋相關，較大數據維持時間較短，不久便恢復正常，具體見圖2、圖3、圖4。

對整體位移、撓度、應變的監測數據可知，不同模塊不同測點的數據雖不完全相同，但變化規律有相似之處，監測數據受通行車輛影響較大，且橋梁整體位移反應最為明顯，應加強關注。同時結合2018年焦山門大橋經常性檢查，2016年實施的剛掛梁輕型組合橋面基本無開裂，整體剛度明顯增加，局部變形很輕微，以整體變形為主，剛掛梁沿斜角整體位移基本趨于穩定。

為了保障下一步焦山門大橋安全監測系統的正常運營，尚需對其開展周期性維護工作（包含日常維護、升級、送檢、維修），并對該橋每年進行一次全橋缺陷檢查，將監測數據與定檢數據相結合，相輔相成保障焦山門大橋安全。

圖2 2018年監測整體位移曲線圖

圖3 2018年監測最大撓度曲線圖

圖4 2018年監測應變曲線圖

3 結論

焦山門大橋安全監測系統根據焦山門大橋的受力特點及歷年檢測情況，選取了整體位移、撓度、應變3個模塊進行監測，對橋梁結構的技術狀況進行實時的監控與評估，能直觀且系統的反映出橋梁當下的技術狀況和使用性能。同時當橋梁遇到特殊氣候、特殊交通條件或結構安全異常嚴重時發出預警信號，為橋梁的日常養護和下一步維修提供有效依據與指導，為橋梁安全保駕護航。

根據這一年的監測情況及日常觀察，經過STC維修加固，鋼橋面局部剛度得到了明顯提升，車輛荷載作用下橋面局部變形不明顯，以整體變形為主，橋面鋪裝無開裂，維修效果良好。