大跨度斜拉橋結構健康監測系統研究與設計

朱小忠

(福建省交設工程試驗檢測有限公司，福州 350007)

處于我國經濟騰飛時期建設的橋梁， 不論是公路系統還是市政系統，多數橋梁處于“只建不養或養護管理不到位”或“無人值守”狀態，導致出現主體結構坍塌，拉索銹蝕突發斷裂等一系列橋梁災害， 后期基本處于被動檢測維修加固的局面。 截至2016 年，我國已修建的公路橋梁多達80.53 萬座，其中特大橋4257 座，大跨度橋梁的管養工作任重而道遠。

橋梁運營期的安全監測是橋梁管養工作的重要內容，橋梁健康監測系統(Bridge Health Monitoring System)普遍應用于大跨度橋梁結構， 大橋在建設初期便可構建健康監測系統，通過健康監測系統，利用收集到的特定信息，對結構服役狀態進行安全監測，能科學地指導工程決策，實施有效的保養、維修與加固工作[1]。當前國內的橋梁結構健康監測系統構建仍處于探索及嘗試階段， 該系統的構建涉及許多不同的領域，如傳感器技術、結構計算、計算機技術、通訊集成技術等。本文以福州繞城高速公路長門特大橋為例， 依據建設單位對橋梁建設初期及后期管養的需求，對該橋健康監測系統進行設計。本文設計了健康監測系統涉及的傳感器子系統、 數據采集與傳輸子系統、數據處理子系統、安全評估子系統，并結合人工巡檢數據綜合評估系統的邏輯和可行性。

1 橋梁概況

長門特大橋是福州繞城高速公路東南段工程項目中重要控制性工程，跨越閩江，是一座(35+44+66)m+550 m+(66+44+35)m 雙塔雙索面混合梁斜拉橋，邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，橋面寬度38.5 m，該橋斜拉索共136 根，塔柱采用花瓶型橋塔，橋梁跨徑布置如圖1。

2 健康監測系統設計方案

2.1 設計原則

大跨度斜拉橋的健康監測系統設計，宜采用“經濟實用、性能可靠、科學合理、兼顧科研”的指導思想：

圖1 長門特大橋橋跨布置圖(單位：cm)

(1)面向特大型橋梁養護和運營管理需要，兼顧混合梁斜拉橋科研需求等方面因素；

(2)根據大橋結構易損性分析，選擇結構易損重點部位及日常養護難于檢查部位進行監測測點布置；

(3)監測內容與監測參數的選擇，要從結構狀態評估的需要和運營養護管理需求出發， 為未來進行狀態識別和結構安全評估做技術準備；

(4) 采用周期監測和定期人工巡檢相結合的方法，節約成本，科學高效[2]。

2.2 監測內容分析

長門特大橋為福建海洋地區少有的大跨徑斜拉橋，且屬交通要道， 在橋梁運營管養過程中的主要存在以下幾方面的風險：①臺風，②地震，③車輛超載，④斜拉索斷裂及腐蝕，⑤鋼橋面板疲勞破壞，⑥主梁線形變化，⑦航道船撞。

對橋梁耐久性及安全性進行監測的前提是合理選擇監測項目，橋梁健康監測項目主要包括環境、荷載、橋梁關鍵結構內力、 關鍵控制截面變形、 結構動力特性等參數，對于大跨度混合梁斜拉橋而言，橋跨結構體系相對復雜， 健康監測內容的確定需要建立在結構構件的傳力特性和受力狀態分析的基礎上。

國內目前已建成使用的大橋健康監測系統所選擇的監測項目大致相同， 表1 為面向管養的監測參數向導一覽表以供參考。

表1 監測項目向導一覽表

2.3 系統組成

橋梁健康監測系統由安裝在橋梁上的傳感器以及數據采集與傳輸、數據處理與管理等軟硬件構成，對橋梁的荷載與環境作用以及橋梁結構性能參數進行測量、收集、處理、分析，并對橋梁結構正常使用水平與安全狀態進行評估和預警[3]。

(1)傳感測試子系統包括3 大模塊：①傳感器模塊。通過傳感器將各類監測信號轉換為電(光)信號。②數據采集與傳輸模塊。 將監測信號轉換為數字信號并完成遠程傳輸。③數據處理與控制模塊。 將監測信號進行預處理，以及二次處理以向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序控制監測參數的采集。

(2)中心數據庫子系統：各子系統數據的支撐系統，完成數據的歸檔、查詢、存儲等工作。

(3)用戶界面子系統：將各種數據向用戶展示，并接受用戶對系統的控制與輸入。

(4)結構安全預警子系統：主要功能是通過監測橋梁結構環境參數及橋梁結構響應， 對結構安全狀態的重要變化及橋梁出現不安全征兆時進行預警，提供報警信號，提醒管養人員關注結構運營安全狀況， 及時進行維修養護，保障結構安全正常運行。

2.4 工作流程

橋梁結構安全監測系統是一個系統工程， 其工作流程示意如圖2 所示：

圖2 結構監測系統工作流程示意

3 監測系統總體設計

3.1 監測內容

長門特大橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋， 邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，斜拉索共136 根，采用空間扇形雙索面布置形式，南、北塔兩側各17 對索。通過對長門特大橋結構受力及地理環境的分析， 初步確定其安全監測內容如表2 所示：

3.2 傳感器設計

傳感器的性能參數， 應符合行業的一般要求及主流設備的性能，對于橋梁健康監測系統，傳感器設備的使用壽命一般要求在20～30 年。 長門特大橋監測系統傳感器的設計見表3：

表2 長門特大橋監測項目一覽表

表3 長門特大橋監測系統傳感器設備

3.3 傳感器的布置原則

(1)布置在反映結構受力最不利位置處；

(2)傳感器安裝位置宜具備便于安裝或更換條件；

(3)合理利用結構的對稱性原則，達到減少傳感器的目的；

(4)應兼顧傳感器的穩定性和可靠性，因此傳感器的布置應有一定冗余；

(5)應對已安裝的傳感器采取保護措施，使其不受溫濕度、雷擊及干擾源(電源、電磁)等環境因素的影響而出現損壞現象。

3.4 測點布置方案

(1)風速監測：選擇在索塔頂布設1 臺機械風速儀和在主跨跨中橋面布設1 臺三向超聲風速儀(圖3 左)。

(2)溫濕度監測：選擇在北索塔上部塔橫梁布設2 個、南索塔上部塔橫梁2 個、主跨北側主梁1 個、主跨南側主1 個、主跨跨中2 個溫濕度儀(圖3 右)。

圖3 機械式風速儀、溫濕度儀

(3)腐蝕監測：選擇索塔處橋墩位置進行混凝土耐久性腐蝕進程監測，分別在南、北兩側索塔處橋墩墩臺布設1 個腐蝕計。

(4)雨量監測：在主梁跨中位置布設一臺雨量計。

(5)地震及船舶監測：選擇在南、北側索塔承臺頂部布設1 臺三向加速度計。

(6)結構溫度監測：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側主跨鋼箱梁截面、南側主跨混凝土箱梁截面、南側邊跨混凝土箱梁截面分別布設16 個光纖光柵溫度計。

(7)結構應變監測：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側主跨鋼箱梁截面、南側主跨混凝土箱梁截面、南側邊跨混凝土箱梁截面分別布設16 個光纖光柵應變計(圖4)。

圖4 光纖光柵應變計

(8)兩端位移監測：選擇在主橋兩側端部位置分別布設4 個位移計。

(9)主塔位移監測：選擇在南、北索塔頂分別布設1 臺GPS 測站，在橋址穩固位置布置1 臺GPS 參考站。

(10)主梁撓度監測：選擇在北側索塔處主梁、主跨1/8跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨、主梁、南側索塔處主梁布設2 個壓力變送器。

(11)塔梁振動監測：選擇在北側索塔塔頂上下游、南側索塔塔頂上下游、北側索塔處主梁、主跨1/8 跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁、主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨主梁及南側索塔處主梁布置單向加速度計。

(12)斜拉索索力監測：從經濟角度及相鄰斜拉索索力變化的相關性考慮，索力加速度計(圖5)宜間隔4～5 個拉索錯開布置。

(13)交通荷載布置：運營狀態需加強有關車流量、重量的監測，故從荷載的源頭上加以控制，確保橋梁的正常安全運營， 選擇在北側主橋上橋處布設1 套動態稱重系統。

圖5 壓力式索力傳感器

(14)交通視頻監測：視頻監控可以對運營期大橋的交通車輛及航道通流量進行監控， 在主橋北側上橋處布設2 臺高清攝像機；選擇在主橋南、北索塔下部各布置1 臺高清攝像機。

長門特大橋監測點設計布置如圖6 所示。

圖6 長門特大橋監測點布置設計圖

4 運營期橋梁人工巡檢

4.1 必要性

傳統健康監測系統采用實時連續監測， 這種方式不僅產生了高額的設備維護和數據存儲費用， 而且得到的海量數據在現有技術條件下無法充分有效處理。 長門特大橋監測工作宜采用周期監測和定期人工巡檢相結合的方法， 周期性地進行實時監測， 監測時間可根據需要擬定，非關鍵時期可采用人工定檢，輔助在線監測數據的正確性分析判斷，經過一定的時間間隔再次啟動實時監測。

4.2 主要措施及內容

依照《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004)[4]的相關要求對長門特大橋運營期結構外觀缺陷、 結構銹蝕狀況及主要受力結構變化狀況實施定期人工巡檢， 人工巡檢的主要措施及內容如下：

(1)通過橋梁經常檢查、定期檢查和專項檢查，調查橋梁的表觀缺陷，例如：橋面鋪裝層縱、橫坡是否順適、鋼結構銹蝕狀況、斜拉索的表面封閉、防護狀況、索力變化狀況、錨頭內部銹蝕積水狀況、支座的老化、開裂狀況等。

(2)通過人工巡檢檢查結果，對橋梁總體及主要構件技術狀況進行評定， 向橋梁管養人員提出養護維修建議及病害處置措施，實現橋梁全壽命全方位管養。

(3)人工巡檢的檢查頻率，宜每半年1 次。特大橋梁綜合評估(綜合利用監測數據、專項檢測及定期檢測的數據)通常1 年定期進行1 次。

5 結語

長門特大橋結構健康監測系統的設計， 充分考慮了橋梁自身結構特性及環境影響， 在研究了傳統的監測系統設計方案基礎上， 按照經濟適用的原則對其進行了優化，經多位專家論證后，確定該方案科學有效。 長門特大橋于2019 年9 月29 日建成通車， 其跨徑在同類橋梁中居全國第一、世界第二，此次的設計方案也直接被采用于長門特大橋健康監測系統的實際構建當中。