鋼桁架斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005

0 引言

公路橋梁在長(zhǎng)期環(huán)境侵蝕、材料徐變、荷載效應(yīng)等因素的作用下，不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的各種損傷及抗力減弱，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，直接影響橋梁運(yùn)營安全［1］［2］，如何保證橋梁運(yùn)營安全成為了現(xiàn)階段我國關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)營安全性能的有效監(jiān)控，組建一套完整實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化管理的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很有必要［3］。然而，根據(jù)鋼桁架斜拉橋結(jié)構(gòu)特殊性，目前國內(nèi)針對(duì)有關(guān)此類橋型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究較少［4］。因此，本文以寶雞市陸港大橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)其主橋結(jié)構(gòu)建模受力分析，確定測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置，完成系統(tǒng)總體架構(gòu)、布點(diǎn)及各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作［5］。通過完成陸港大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究與實(shí)施，為同類型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

寶雞陸港大橋位于陽平火車站以西2.0km，該工程北起陳倉科技路，跨連霍高速、渭河，南接西寶南線。大橋主橋?yàn)殇撹旒茈p塔雙索面斜拉橋，長(zhǎng)412m，跨徑組合為102m+208m+102m。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 橋梁建模計(jì)算分析

利用空間有限元分析程序MIDAS/CIVIL2015 進(jìn)行計(jì)算。拉索采用桁架單元模擬，其它均采用梁?jiǎn)卧M，各構(gòu)件之間采用剛性連接連接。對(duì)于內(nèi)力計(jì)算，各截面加勁肋，僅考慮其自重，不考慮其參與受力。陸港大橋主橋計(jì)算空間模型如下圖1。

圖1 主橋計(jì)算空間模型

對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算以監(jiān)控參數(shù)為目標(biāo)，主要以結(jié)構(gòu)的剛度、位移、應(yīng)力進(jìn)行分析，得到監(jiān)控的主橋關(guān)鍵截面和桿件，以達(dá)到最有效的監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置要求。

（1）通過全橋的梁?jiǎn)卧獞?yīng)力比較分析，在基本組合荷載工況下，鋼桁架塔柱與梁交接處及1/2 位置處腹桿存在較大壓應(yīng)力，宜設(shè)置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。對(duì)于梁體而言，主跨跨中、邊跨跨中及與塔柱交接處為監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域；

（2）通過結(jié)構(gòu)位移比較分析，主跨及邊跨跨中為位移量最大，宜設(shè)置位移測(cè)點(diǎn)；

（3）通過拉索索力比較分析，得到邊跨及主跨跨中索力最大，監(jiān)控索力以索力較大的索為主。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集群健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，各傳感器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過無線方式集成至數(shù)據(jù)采集站內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過有線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心供遠(yuǎn)端用戶在線掌控大橋健康狀況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如下圖2。

圖2 大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建框架

結(jié)合陸港大橋斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果，并參照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，確定陸港大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、橋面動(dòng)態(tài)交通監(jiān)測(cè)，共計(jì)4 類監(jiān)測(cè)內(nèi)容，詳細(xì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

（1）結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)：塔柱空間變形及傾斜、主梁撓度、支座及伸縮縫位移。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)：主塔及主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力及變化、拉索索力及變化。

（3）結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：主塔、主梁振動(dòng)。

（4）橋面動(dòng)態(tài)交通監(jiān)測(cè)：橋面視頻監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 監(jiān)測(cè)傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)是由對(duì)環(huán)境參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器組成的模塊。結(jié)合陸港大橋建模計(jì)算分析結(jié)果及傳感器經(jīng)濟(jì)適用的布置原則，該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布設(shè)磁通量傳感器、GPS、振弦應(yīng)變計(jì)等八類傳感器，共計(jì)布置128 個(gè)傳感器，傳感器布置信息見下表1。

2.3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要從系統(tǒng)總體構(gòu)架、軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。全橋共設(shè)2 個(gè)數(shù)據(jù)采集主站，每個(gè)數(shù)據(jù)采集主站實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)通過有線或無線兩種方式與遠(yuǎn)端監(jiān)控中心交互通信，組建為在線實(shí)時(shí)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)主要從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、分析、存儲(chǔ)、管理等幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，該子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起到重要過渡作用。

2.3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)安全預(yù)警及評(píng)估子系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)包括：應(yīng)力應(yīng)變、變形、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、拉索索力等分析系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)包含：橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全評(píng)定分析、橋梁整體極限承載力分析、橋梁可靠度分析，根據(jù)分級(jí)預(yù)警機(jī)制實(shí)現(xiàn)多級(jí)預(yù)警。

結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中心部位，評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)密切結(jié)合大橋的管養(yǎng)要求，做到“預(yù)測(cè)性維護(hù)、評(píng)估式維護(hù)”，并出具評(píng)估報(bào)告。

表1 傳感器布置信息一覽表

2.3.5 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

由于整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)信息種類多及多系統(tǒng)共享，支持分布式處理和訪問的同時(shí)還要支持多并發(fā)用戶的操作，且數(shù)據(jù)安全性尤為重要。中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)統(tǒng)一管理和組織數(shù)據(jù)信息，方便系統(tǒng)后期智能化管養(yǎng)，同時(shí)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)平臺(tái)給各應(yīng)用子系統(tǒng)，方便開發(fā)與使用。

2.3.6 用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終面向用戶的產(chǎn)品，是各子系統(tǒng)的集成界面，主要結(jié)合各子系統(tǒng)的功能，提供統(tǒng)一的操作界面和采用易懂的圖表形式展示各種分析數(shù)據(jù)信息給用戶，實(shí)現(xiàn)分布式、遠(yuǎn)程訪問的方式與功能。

3 工程實(shí)施

此次橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于寶雞陸港大橋的建設(shè)，至今已完成該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建工作，初步形成一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化管理的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，施工步驟如下：

施工前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作→傳感器安裝→線纜線管安裝固定→系統(tǒng)信號(hào)線及電源線纜敷設(shè)安裝與防護(hù)→數(shù)據(jù)采集站安裝固定→傳感器子系統(tǒng)分項(xiàng)目連接測(cè)試→數(shù)據(jù)通信接口安裝→子系統(tǒng)總體連接調(diào)試→監(jiān)控中心設(shè)備與通信安裝→軟件系統(tǒng)集成及總體調(diào)試→試運(yùn)行→項(xiàng)目竣工驗(yàn)收。

4 結(jié)語

（1）通過對(duì)陸港大橋主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模受力分析，確定最有效的監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)點(diǎn)布置，利于下一步開展主橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類設(shè)計(jì)研究。

（2）該套橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，利用現(xiàn)代傳感測(cè)試、信號(hào)分析、遠(yuǎn)程智能控制、計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析等當(dāng)代新設(shè)備和新技術(shù)，組建了一套技術(shù)先進(jìn)、措施合理、實(shí)用經(jīng)濟(jì)、易于管理、開放兼容、符合橋梁運(yùn)營環(huán)境和結(jié)構(gòu)特殊性的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）該套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為陸港大橋運(yùn)營期提供科學(xué)有序的養(yǎng)護(hù)運(yùn)營管理平臺(tái)，減少大橋非重點(diǎn)結(jié)構(gòu)人工檢測(cè)次數(shù)，在意外發(fā)生階段和事后分析評(píng)估大橋結(jié)構(gòu)安全性，協(xié)助及改善大橋檢測(cè)方法，為大橋的維護(hù)決策提供依據(jù)，具有良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。