某鋼拱塔斜拉橋信息化監測方案研究

黃 樺

福州市城鄉建總集團有限公司，福建 福州 350000

1 前言

某鋼拱塔斜拉橋長453.0m，主橋采用鋼拱塔斜拉橋結構形式，跨徑布置為50+60+110+110+60+50m。全橋橋面連續，在兩側橋臺設置伸縮縫。主梁為預應力鋼筋混凝土連續箱梁，鋼拱塔采用鋼混結合過度的方式與混凝土拱座相連并固結與拱座。在對該橋梁進行了外觀檢查，發現該橋梁伸縮縫局部卡死、箱梁頂板底面和腹板存在大量裂縫、支座組件銹蝕、支座往東偏位等問題。為全面掌握該橋當前的受力狀態及現有病害的發展情況，以防止結構出現不可控、不可逆的嚴重損傷，需要在該橋上安裝一套健康監測系統并進行長期不間斷觀測［1-2］。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

2 監測系統組成

結構安全監測設備中，動態應變計、溫度計、振動傳感器和傾角計經信號線連接到控制器之后與動態稱重傳感器采集到的壓電信號和監控攝像頭均通過通過線纜傳輸到機箱網絡再將數據實時上傳到云服務器，后續數據的儲存、管理、處理及分析等工作均在云平臺上完成。

3 有限元計算與測點布設

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，結構受力復雜，監測的設置正確與否直接關系到采樣數據的有效性與系統的經濟性。因此在進行測點布設前需要對結構受力進行詳細的分析，兼顧該橋既有病害的同時選擇受力較不利截面和變形較大截面作為本次監測的重點關注截面，內力計算結果詳見圖2,測點布設詳見圖3。

4 結構響應監測

4.1 混凝土/鋼結構應變傳感器

圖2 設計荷載作用下的主梁彎矩包絡圖

圖3 監測截面布置示意圖（單位：m）

混凝土主梁、鋼拱塔應變監測采用振弦式表面應變計，用于監測混凝土結構或鋼結構局部受力情況，收集橋梁結構在汽車及溫度荷載作用下的內力變化情況，總結正常使用情況下內力變化幅值積累健康監測數據。振弦應變計的原理是通過測試鋼線弦的振動的頻率來換算鋼弦及被測結構物的微小位移；鋼弦的振動頻率與鋼弦松緊程度成正比，應變計測試時固定在被測物體表面，被測結構物內力改變時產生的微小變形帶動應變計內的鋼弦產生松緊變化，進而影響鋼弦的振動頻率。弦式應變計具有穩定性能好，抗干擾能力強，精度高特點。應變計布置位置見圖4。

圖4 截面應變測點布置圖（單位：cm）

4.2 振動傳感器

主梁及鋼拱塔振動監測采用振動傳感器（加速度傳感器），通過監測主梁的振動幅值及振動頻率的變化來評價橋梁動力性能。

4.3 傾角傳感器

橋墩及拱塔變位監測采用高精度傾角傳感器，輸出采用標準工業電器接口4～20mA。產品采用最新的MEMS 高工藝，內部采用高分辨率差分數模轉換器。鋼拱塔是斜拉橋的主要受力部件，拉索將橋面的豎向荷載傳遞給鋼拱塔再集中傳遞給基礎，塔有巨大的豎向承載能力，但抵抗水平荷載能力較弱，因此需要保證其處于穩定的豎向狀態。鋼拱塔傾角測點布置見圖5。

圖5 鋼拱塔傾角測點布置圖（單位：m）

圖6 索力傳感器布置示意圖

4.4 索力計

斜拉索的索力監測可選擇壓阻式加速度傳感器。壓阻式加速度傳感器具有直流響應、分辨率高、響應速度快、可靠性好、體積小、質量輕、噪聲小等特點。考慮到傳感器必須垂直于索安裝，索力傳感器安裝時需采用定制的安裝夾具。索力采用振動頻率法測量，加速度傳感器將索的隨機振動信號轉變成電信號，電信號經放大后送至動態信號采集系統進行記錄斜拉索的振動基頻并儲存，通過結構分析計算機程序換算斜拉索的拉力。索力傳感器布置示意圖見圖6。

5 信息化監測系統

5.1 數據云傳輸

現場所有的傳感器通過數據線將信號匯總到數據采集存儲控制終端，現場的數據采集終端具備數據存儲及上傳功能，采集終端根據預先設定好的采樣頻率進行數據采樣并實時上傳到云平臺數據庫。

5.2 數據分析處理平臺

數據分析處理平臺將現場采集到數據進行分析處理，包括所有的結構響應監測，如幾何變位、震動響應（含位移、速度、加速度）、構件應變（力）等；環境荷載監測，如交通荷載、風荷載、溫度荷載、地震及船舶撞擊荷載等；重點病害監測，根據不同橋梁特點，對一些管理部門關心的橋梁重點病害進行監測。對各個監測項目的詳細記錄，以圖表形式展示。

5.3 自動預警

可對每個傳感器設置預警閾值，在監測數據異常時發出預警，顯示實時預警信息、處理狀態等，后期可以查詢、統計等。監測信息推送：保存推送的預警信息，設置何時預警、預警方式、預警對象、預警信息推送人員等，可按周/月/季/年度等統計預警信息，生成監測報告。

6 結語

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，屬于特殊結構的橋梁，在定期監測中存在較多的病害，由于該橋沒有進行健康監測，病害的形成時間及近期的發展情況無法進行溯源，無法準確對病害性質進行判定。隨著該橋信息化監測系統建立，可以對該橋現狀病害進行實時跟蹤，進而可以根據病害的發展情況對病害的性質進行判定并進行處理，達到對該橋進行科學管養的目標。同時根據積累的橋梁結構數據及該橋的病害特點，可以總結出該類型橋梁的病害特點與防治措施，可以對同一類型的橋梁的養護及設計提供強有力的數據支撐，進而提升整個行業的鋼拱塔斜拉橋的養護與設計水平。