深圳愛國路高架橋應急健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

林 航

(福建省智能養(yǎng)護工程有限公司 福建福州 350000)

0 引言

橋梁是人、車暢行的通道，只有橋梁的健康，方有人、車的安全保障。但橋梁在使用一個時段，由于受到建成年份、車輛荷載、材料老化、疲勞效應和環(huán)境等多因素影響，往往會出現(xiàn)不同程度的“亞健康”狀態(tài)。因此，采用科學的監(jiān)測和評估手段，保障橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性極其重要[1～3]。

對于橋梁健康監(jiān)測及相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)，不少專家、學者都有相關(guān)方面的研究。萬宏鵬[4]通過對光纖光柵傳感器的分布式布設及監(jiān)測系統(tǒng)的集成，設計并建立了安龍泉互通立交橋的實時監(jiān)測系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了在東北嚴寒季凍地區(qū)對市政橋梁的遠程實時監(jiān)測。曲俊峰[5]通過建立有限元模型并結(jié)合實際橋梁荷載試驗數(shù)據(jù)，深入分析得到能夠反映結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)同時在健康監(jiān)測過程中易于穩(wěn)定測量參數(shù)的閾值。張啟偉、郎惠芳、李惠，等[6-8]從橋梁工程發(fā)展的角度，探討大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計中各個子系統(tǒng)的功能、特點、實現(xiàn)方法，以及各子系統(tǒng)的協(xié)同作用。孫濤，等[9]通過將BIM與傳統(tǒng)健康監(jiān)測技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)三維模型可視化；通過部署于云計算中心的虛擬服務器和系統(tǒng)自診斷技術(shù)，實現(xiàn)了海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析和預處理。岳青，等[10]根據(jù)東海大橋的實際情況，構(gòu)建了基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護管理體系，提出了預測式、評估式大橋養(yǎng)護管理策略。周建庭[11]以實際橋梁為依托，建立基于可靠度理論的橋梁遠程監(jiān)測評價體系。研究結(jié)果表明：利用工程結(jié)構(gòu)可靠度理論來評價橋梁安全狀況是可行的。楊小超[12]分別對于竣工驗收的橋梁狀態(tài)評估方法和長期服役過程中的橋梁健康狀態(tài)評估方法進行研究。

本文以深圳愛國路高架橋為工程背景，針對性地建立“應急橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)”。基于這套系統(tǒng)，對深圳愛國路高架橋的細微狀況進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集分析，即時掌握橋梁的運行狀況，為橋梁管理部門準確科學地管養(yǎng)該橋提供參考。

1 工程概況

愛國路高架橋，位于深圳市羅湖區(qū)，西北起愛國路與布心路位置，東南至沿河北路與黃貝路交匯路段，全長約1.5km。高架橋分東、西兩幅橋，東幅橋由14聯(lián)橋組成，西幅橋由16聯(lián)橋組成。高架橋上部結(jié)構(gòu)采用預應力連續(xù)箱梁，梁高2.0m。橋面寬14.74m，為雙向六車道。該橋是深圳市交通量最繁忙的高架橋之一，如圖1所示。

圖1 深圳愛國路高架橋

愛國路高架橋受建成年份、車輛荷載、材料老化、疲勞效應和環(huán)境等多因素影響，橋梁管養(yǎng)部門和檢測單位對該大橋進行了多次檢查、特殊檢測和加固維修處理，但該橋的技術(shù)狀況仍不理想。

2011年檢測單位發(fā)現(xiàn)，橋梁多處出現(xiàn)東西兩幅相對豎向錯位現(xiàn)象，豎向高差約為6cm～9cm。2012年11月，3#橋處中央分隔帶蓋板跌落；經(jīng)檢測，愛國路高架橋第2#、3#、4#橋均有不同程度的向曲線外側(cè)爬移的現(xiàn)象，其中東幅3#橋爬移最為嚴重，最大值位移10.0cm；同時，還發(fā)現(xiàn)東西兩幅2#、3#、4#橋的預應力混凝土箱梁腹板、底板，均存在不同程度的開裂現(xiàn)象。2013年6月，東西兩幅3#橋處中央分隔帶蓋板再次跌落，再次檢測發(fā)現(xiàn)東幅3#橋有繼續(xù)向外側(cè)爬移的趨勢。

鑒于愛國路高架橋的預應力混凝土箱梁移位、開裂，以及這些病害對橋梁結(jié)構(gòu)正常受力的影響，亟需建立一套高效實用的“應急橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)”，對橋梁結(jié)構(gòu)的靜動力響應進行應急監(jiān)測。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、橋梁分析與預警系統(tǒng)等主要功能模塊。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過視頻、圖像及多種表面接觸式傳感器，實時采集橋梁運營狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和信號，儲存在數(shù)據(jù)庫中，并通過服務器將采集的數(shù)據(jù)和信號傳回監(jiān)控中心。橋梁分析與預警系統(tǒng)，通過三維數(shù)字仿真，反演橋梁的工作狀態(tài)和健康狀況，對可能存在的結(jié)構(gòu)損傷部位及其損傷程度進行智能識別，并在此基礎(chǔ)上進行橋梁的安全可靠性評估。

通過運用最新的BIM技術(shù)、現(xiàn)代地理信息技術(shù)、現(xiàn)代測試與傳感技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、信號處理和分析技術(shù)、橋梁空間和結(jié)構(gòu)分析理論、機器學習與模式識別理論等多個學科領(lǐng)域的技術(shù)，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)高精度、傳輸高速度、工作高效率”的特點。系統(tǒng)邏輯拓撲圖如圖2所示，系統(tǒng)主頁面如圖3所示。

首先巡回護士需由嚴格培訓過的護師以上人員擔任，術(shù)前1d到病房認真閱讀患者的病歷，同時與手術(shù)醫(yī)生和責任護士溝通，間接了解患者的性格特點及心理需求。根據(jù)不同患者心理特點，制定個性化的心理護理方案。對于一些文化程度高的多用醫(yī)學術(shù)語、治療性溝通語言。對文化程度低者多用淺顯易懂的語言，告知其心理調(diào)節(jié)的重要性。鼓勵患者家屬多與患者交談，給患者以精神上的支持，減輕患者孤獨、緊張、焦慮和抑郁等負面的心理，使其樹立信心[10]。

圖2 系統(tǒng)邏輯拓撲圖

圖3 橋梁健康監(jiān)測與預警系統(tǒng)主頁面

3 監(jiān)測內(nèi)容和測點布置

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

愛國路立交橋健康監(jiān)測，是針對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行“有的放矢”的應急健康監(jiān)測，其監(jiān)測的主要內(nèi)容包括：

(1)主梁位移監(jiān)測：主梁的空間位移，尤其是往曲線外側(cè)的橫橋向位移；

(2)應變監(jiān)測：主梁和橋墩控制截面的應變；

(3)裂縫寬度監(jiān)測：預應力混凝土箱梁腹板、底板的裂縫寬度；

(4)橋墩沉降監(jiān)測。

3.2 主梁位移測點布置

參考橋梁檢測過程中發(fā)現(xiàn)的橋墩和主梁病害，考慮到實際病害“愛國路高架橋第2#、3#、4#橋均有不同程度的向曲線外側(cè)爬移的現(xiàn)象，其中東幅3#橋爬移最為嚴重”，全橋共布置11個主梁位移測截面，共計21個監(jiān)測點。測點布置在連續(xù)梁首末端的橋墩支座附近，主梁位移測點布置如圖4所示。

圖4 主梁位移測點布置示意圖

3.3 主梁應變測點布置

鑒于愛國路高架橋為預應力混凝土連續(xù)梁橋，主梁應變監(jiān)測的重點在于主梁的跨中截面和墩頂截面。針對主梁整體的應力(應變)情況進行監(jiān)測，對主梁的整體受力進行分析，確定是否存在應變超限的情況、或受力情況與以往監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)突變的狀況。

參考橋梁檢測過程中發(fā)現(xiàn)的主梁病害，考慮到實際病害“除愛國路延長段外，各橋跨腹板均存在豎向開裂現(xiàn)象，底板存在橫向開裂現(xiàn)象”，根據(jù)橋梁具體病害情況(如墩頂截面病害較輕)，全橋共布置15個主梁應變監(jiān)測截面，每個截面選取主梁跨中位置，每個截面布置2個測點。測點布置在主梁跨中截面底板位置，共計30個測點，主梁應變測點布置如圖5～圖6所示。

圖5 主梁應變測點縱橋向布置示意圖

圖6 主梁應變測點橫橋向布置示意圖(單位：cm)

3.4 橋墩應變測點布置

圖7 橋墩應變測點豎向布置位置示意圖(單位：cm)

圖8 W34#墩柱應變測點橫橋向位置示意圖

3.5 裂縫寬度測點布置

參考橋梁檢測過程中發(fā)現(xiàn)的“預應力混凝土箱梁腹板、底板均存在不同程度的開裂現(xiàn)象”，考慮到：

(1)主梁：“W10#分聯(lián)墩頂處牛腿部位W10跨、W11跨梁端曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)腹板，E11分聯(lián)墩頂處牛腿部位E11跨曲線外側(cè)腹板”，“E12跨曲線內(nèi)側(cè)腹板距離E12#墩約4m位置出現(xiàn)3條豎向裂縫”。

(2)橋墩：“W34# 、W36-2#、W40-2#墩柱分別新增20條、12條、8條環(huán)向裂縫”。

因此，全橋共選擇4個主梁和橋墩，選取寬度最大的裂縫進行裂縫寬度監(jiān)測。裂縫寬度測點布置如圖9所示。

圖9 裂縫寬度布置示意圖(單位：cm)

3.6 橋墩沉降測點布置

愛國路高架橋下存在大面積的市政工程施工，包括基坑開挖、樁基托換等。基礎(chǔ)開挖和樁基施工會造成橋墩沉降，進而影響連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)受力。

考慮橋梁現(xiàn)場施工點分布情況，全橋共布置7個橋墩沉降測點，其中4個位于樁基托換處，1個位于開挖基坑邊緣，另有2個基準點。橋墩沉降布置在承臺以上25cm處。橋墩沉降測點布置如圖10所示。

圖10 橋墩沉降測點布置示意圖(單位：cm)

4 結(jié)果分析

愛國路立交橋建立的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，與橋梁日常巡查和定期檢查結(jié)合，可以為橋梁管養(yǎng)部門提供及時準確的橋梁受力狀態(tài)和病害發(fā)展情況，確保橋梁運行安全。

以主梁位移監(jiān)測結(jié)果為例，愛國路高架橋梁體爬移監(jiān)測結(jié)果顯示，所監(jiān)測活動梁體接合處未發(fā)現(xiàn)明顯相對位移，各監(jiān)測點位數(shù)據(jù)正常。圖11為西二橋W2墩處主梁相對位移的變化趨勢圖，從圖中可以看出該處主梁相對位移量在允許的閾值范圍之內(nèi)。

根據(jù)2017年3月，北京鐵科工程檢測中心對愛國路高架橋進行的定期檢測，與2013年相比，西二橋W2墩處主梁未發(fā)現(xiàn)明顯位移。結(jié)果表明，愛國路高架橋建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，監(jiān)測結(jié)果可以為橋梁管理部門準確科學地管養(yǎng)該橋提供參考。

圖11 西二橋W2墩處主梁位移監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

針對深圳愛國路立交橋存在的主梁位移、混凝土裂縫等病害，建立了一套高效實用的“應急橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)”，對橋梁結(jié)構(gòu)的靜動力響應進行應急監(jiān)測。結(jié)果表明，愛國路高架橋建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，監(jiān)測結(jié)果可以為橋梁管理部門準確科學地管養(yǎng)該橋提供參考。