在役部分斜拉橋健康監測系統設計與實現

蔣國富，郭 龍，王龍林，郝天之

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.河北省交通規劃設計院試驗檢測中心，河北 石家莊 050091)

隨著我國基礎設施的持續建設，橋梁建設規模獲得前所未有的發展，截至2017年底，我國已建成的橋梁數量超過83萬座[1]。但一些橋梁由于設計和施工存在缺陷，管理和養護不合理等，以及超載、酸雨、地震等人為和自然因素的影響，致使橋梁出現各種損傷，甚至嚴重威脅到橋梁的安全運營。近年來，我國橋梁坍塌事故頻發，造成了重大經濟損失和人員傷亡。由于橋梁坍塌前無明顯征兆，災害通常是猝不及防的，因此如何提前識別橋梁損傷、預判橋梁危險是亟需解決的問題。橋梁結構的損傷通常分兩類，即：突發性損傷和累積性損傷。為識別和預判橋梁健康狀況，1997年美國的Housner教授提出了健康監測的定義，即：通過實時、連續的無損傳感器監測技術收集橋梁在各種荷載和荷載激勵下的結構響應數據，并對此進行分析以識別結構損傷，判斷損傷位置，確定損傷程度，最后對結構的健康狀況做出評估[2]。健康監測能夠在突發性損傷發生時及時做出判斷和警報，以便采取處理措施，防止發生進一步的破壞和引發其它事故；同時能夠定期對累積損傷的狀態做出描述，預判損傷發展趨勢，以便根據情況采取相應措施，避免發生更大的損失和人員傷亡。國外橋梁結構健康監測系統的應用可以追溯到20世紀80年代[3]。我國在這一領域的研究比國外晚約十年。21世紀后，我國大跨徑懸索橋、斜拉橋開始成規模建設，部分新建橋梁在建造時同步設計和建立了相應的健康監測系統。因此，在新建橋梁健康監測領域，我國已經積累了相當豐富的設計、實施和研究經驗。

屢次在役橋梁安全事故表明，在橋梁結構服役期內需要實時掌握結構性能和控制結構損傷產生的風險[4]。由于傳統的經常性和定期檢查方法對橋梁檢查具有時間間斷性，不能很好地對結構突發性損傷作出實時評估和對累積損傷作出及時的預判，設計安裝健康監測系統變得非常必要。林著惠[5]以建成于1971年的烏龍江大橋為監測對象，對在役大型T構橋梁健康監測系統設計中的關鍵技術進行了研究；2015年蘇交科集團成立了“在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室”，專門針對在役大跨徑橋梁安全狀態進行監測和研究，為大橋的安全服役提供實時預警、健康與損傷狀態評估；橋梁健康監測技術作為橋梁工程領域新興的分支，已逐漸成為一個熱門研究方向[6]，但在役部分斜拉橋的健康監測案例很少，且能查閱到的研究資料大多較為抽象，為更加形象和具體地介紹在役部分斜拉橋的健康監測，本文以廣東省某座特大型部分斜拉橋為依托，對健康監測智慧云系統進行設計、施工和運行，并對設計和運行中出現的問題進行分析和優化。

1 工程背景

某橋上部結構為(108+208+108)m雙幅部分斜拉橋，半幅橋寬20.5 m，主梁為預應力混凝土單箱雙室直腹斷面，橋面鋪裝為水泥混凝土。結構體系為墩塔梁固結體系，橋塔采用鋼筋混凝土“Ⅲ”型塔，橋面以上塔高28 m，144根斜拉索。主橋采用實體橋墩，過渡墩采用雙柱式墩，基礎采用樁基礎(圖1)。

自2017年至2018年連續兩年對大橋進行定期檢查，發現橋面存在大量縱向、橫向裂縫和坑洞，斜拉索系統護套破損、永磁調節式磁流變阻尼器螺栓松動、缺失，箱梁內部滲水泛堿、混凝土露筋銹蝕、縱向裂縫，索塔露筋銹蝕和裂縫等病害。典型病害見圖2和圖3。

圖2 阻尼器螺栓缺失Fig.2 Missing of damper bolt

圖3 箱梁內部滲水泛堿Fig. 3 Seepage and alkali in box girder

為該橋在運營階段建立一套合理的健康監測系統，當橋梁發生損傷時，監測系統能及時發出預警信號，以便于橋梁養護部門能夠有針對性地及時進行維修和處理，而不是僅單純依靠外觀檢查的簡易方法，得到粗糙的結果進行不切要害的養護。因此，根據該橋結構形式、跨徑及監測信息的重要程度，為該橋設計了在線實時監測系統。

圖1 斜拉橋立面圖和近況照片(單位：cm)Fig.1 Elevation and recent photo of cable-stayed bridge

2 系統設計

本橋健康監測系統整體構建主要包括監測內容、傳感器、數據傳輸、智慧監測云網平臺(系統集成)。該橋健康監測系統整體構建示意圖見圖4。

圖4 監測系統整體結構圖Fig.4 Overall structure chart of the monitoring system

2.1 監測內容

橋梁監測系統設計首先要解決監測參數的確定，參數的選擇是否正確關系到監測系統正確的評估，即關系到監測系統是否能正常發揮其作用[7]。針對該斜拉橋結構體系特征，本次健康監測系統的主要監測內容為結構響應、環境因素和動力特性。其中結構響應包括主梁應變、橋塔應變、主梁撓度和縱飄、裂縫寬度及斜拉索索力；環境因素主要包括溫度、濕度、風速風向；動力特性為橋梁模態分析。

2.2 傳感器類型

監測系統的監測功能利用傳感系統實現，傳感器測點布置對系統運行的效率和功能都會產生直接影響[8]。傳感器的選擇主要考慮精度滿足要求，長期監測耐久性好、不易損壞，性能先進可靠，信號采集穩定，易于維修和更換。與監測內容對應的傳感器見表1，部分傳感器見圖5—圖8。

表1 監測內容和傳感器

圖5 靜力水準儀Fig.5 Static level

圖6 智能數碼測縫計Fig. 6 Intelligent digital seam meter

圖7 索力監測傳感器Fig.7 Monitoring sensor of cable force

圖8 加速度拾振器Fig. 8 Acceleration pickup

2.3 數據傳輸

數據傳輸技術分為現場傳輸和遠程傳輸[9]。現場傳輸是指傳感器到數據監測儀的有線傳輸，遠程傳輸是指數據監測儀至數據中心的無線傳輸。依據橋址處環境條件，該健康監測系統采用現場傳輸與遠程傳輸相結合的方式,見圖9。

圖9 數據傳輸方式結構圖Fig.9 Structure chart of data transmission mode

其中無線傳輸基于移動通信基站，每日數據采集量G與DTU每月最大數據傳輸極限值相關，本系統設定每日數據采集量如下：

(1)對于靜態數據

G=m×h×j×l×p

式中：G為數據存儲大小(單位：kB)；m為傳感器數量(單位：個)；h為每日采集時間(單位：h)；j為每小時采集次數(單位：次)；l為每次采集條數(單位：條)；p為每條數據大小(單位：kB)。

主梁和橋塔應力：G1=6 912 kB；主梁撓度：G2=2 160 kB；主梁縱飄：G3=1 728 kB；主梁裂縫寬度:G4=1 080 kB；風速風向:G5=216 kB；溫度濕度:G6=1 080 kB。

靜態數據每日采集數據總量：

(2)對于動態數據

G=m×f×h×p

式中：f為每秒數據條數(單位：條)。

主梁振動：G7=7 372 800 kB；斜拉索索力：G8=13 271 040 kB。

根據以上計算結果，每日動態數據量非常大。如果全部數據都通過網絡傳輸并存儲起來，不但會給軟件的通信過程帶來壓力，也會嚴重消耗工控機和服務器的硬盤空間，還會造成WEB端的數據刷新出現卡頓現象[10]。為提高儲存空間利用率，連續采樣512個數據，記為一組數據，標記一個起始時間，一個結束時間，一個頻率的算法。壓縮后得到動態數據量：G7=7.3 MB；G8=13.2 MB。

依據數據日傳輸總量、監測儀接口及監測因素，本次系統共采用7個DTU模塊進行遠程數據無線傳輸。

2.4 智慧監測云網

智慧監測云網平臺是根據該橋長期在線監測的需求基于B/S架構開發的，包含PC端和移動APP端。云網平臺能夠將大橋應力應變、撓度、模態、溫濕度、裂縫等監測數據進行統一管理和處理，是大橋結構健康監測系統的一個重要組成部分。該平臺主要功能見圖10。

圖10 系統平臺功能結構圖Fig.10 Functional structure of system platform

(1)項目信息：存儲橋梁信息，跟進系統動態，記錄關鍵信息。

(2)設備管理：設置傳感器采樣周期，系統用紅色離線和綠色在線判斷傳感器在線情況。

(3)測點信息：對測點、監測因子等進行管理，依據規范和理論計算結果設置兩級安全預警值。

(4)監控信息：可實時查看監測數據，應用數字計算分析對監測數據進行初步圖像處理。

(5)分析評估：對監測數據進行深度分析，生成監測成果報告。

3 在役橋梁監測系統

依據橋梁與健康監測系統設計施工是否同步進行，分為新建和在役橋梁監測系統。與新建橋梁相比，服役多年后的橋梁力學行為特性(線形、索力等)相較于初始設計和成橋時均已發生變化。因此，需要重新構建橋梁仿真模型，進行結構計算分析。對于結構的計算以健康監測內容參數為目標，主要以結構的剛度、位移、應力進行分析[11]，必要時還須考慮到結構存在的損傷對有限元模型、分析方法和結果的影響。同時在役橋梁由于橋梁各結構和構件已全部施工完成，傳感器和線路只能布置在結構表面，必須采取有效、有針對性的保護措施。

健康監測系統的主要功能之一是在結構發生突發性損傷時，及時發出預警信號。不同于新建橋梁監測系統可識別所有荷載作用下結構響應，在役橋梁監測系統僅可識別可變荷載作用下結構響應。因此，該橋健康監測預警閾值的設置將依據可變作用的結構響應進行設置。

3.1 結構計算分析

本次采用大型計算軟件MIDAS Civil建立大橋空間有限元計算模型，進行結構動力和靜力計算分析，并輔以FEA三維實體模型進行仿真計算校核，見圖11和圖12。其中Civil模型中斜拉索采用桁架單元模擬，箱梁、橋塔橋墩等構件采用梁單元模擬，主梁模擬方式采用“魚骨”型，即將實際橋梁結構的主梁處理為順橋向的單根主梁和橫橋向的魚骨，計算分析橋梁整體受力關鍵截面。確定健康監測系統監測截面和監測點，依據有限元模型計算分析，總體布置結構見圖13。

圖11 Civil桿系模型Fig.11 Civil member model

圖12 FEA實體模型Fig. 12 FEA solid model

圖13 健康監測系統總體布置圖Fig.13 General layout of health monitoring system

3.2 預警設置

該橋于2015年建成通車，屬于在役橋梁，監測系統中應變、位移等參數預警值設置依據可變荷載作用下理論計算值和規范進行設置。可變作用包含整體溫變、溫度梯度、順向和橫向風力、車輛荷載。安全預警閾值需要分級[12]設置進行預警，本橋監測系統設黃色和紅色兩級。黃色預警：提醒管養單位對環境、荷載、結構整體或局部響應加強關注，并進行跟蹤觀察；紅色預警：警示管養單位應對環境、荷載與結構響應連續密切關注，查明報警原因，采取適當檢查、應急管理措施以確保橋梁結構運營安全，并應及時進行結構安全評估[13]。當監測中的數據超出相應閾值時，應及時啟動橋梁安全預警[14]見圖14。

圖14 健康監測系統預警組成結構圖Fig.14 Early warning structure of health monitoring system

3.3 傳感器與線路保護

該橋健康監測系統現場使用JMZX-4SX四芯水工電纜接通電源，JMZX-4PX四芯屏蔽線傳輸數據信號，BGK-3475儲液罐存儲靜力水準儀液體。為保證電源和信號穩定傳輸及安全，采用金屬橋架對電纜線和信號線進行保護。一年的運行中發現如下問題：

3.3.1 電源斷電

在臺風暴雨等災害天氣狀況下，橋上供電系統易發生故障，導致監測系統斷電停止運行，而此時恰是需要實時采集數據的關鍵時刻。解決方法為換裝可自動閉合開關，若要保證系統正常運行，需滿足以下計算公式：

n≤N

式中：n為系統發生斷電次數；N為開關能自動閉合的次數。

3.3.2 橋架切割線纜

橋梁在可變作用下，跨中附近會發生反復豎向起伏振動，橋架端頭銜接處的線纜會被反復切割磨損，造成電源供電斷路或信號傳輸中斷，見圖15—圖17。

圖15 線纜表面磨損Fig.15 Cable surface wear

圖16 磨損至金屬絲Fig.16 Wire wear

圖17 緩沖裝置Fig. 17 Buffer device

解決方法：(1)在橋架接頭或拐角處設置緩沖裝置，防止信號線直接接觸金屬橋架的切割磨損，見圖17；(2)安裝線纜時，使信號線保持松弛狀態，避免溫變作用下線纜發生熱脹冷縮時張緊的線纜直接承受垂直線纜軸向方向的更大的摩擦力；(3)將接頭位置處理平滑，避免尖銳棱角接觸線纜。

3.3.3 儲液罐滲液

儲液罐邊緣發生滲液，當液面到達臨界高度時，會導致液管內產生氣泡，影響采集精度和造成數據錯誤。對儲液罐進行膠結處理，試驗24 h不再發生滲液后投入使用。見圖18和圖19。

圖18 儲液罐邊緣滲液Fig.18 Leakage at the edge of the reservoir

圖19 液管中產生氣泡Fig. 19 Bubbles in the liquid pipe

4 監測結果分析

自動初步處理和人工專業分析是監測數據分析的兩步數據處理方法[15]。健康監測系統進入正常工作狀態后，智慧監測云網平臺會自動實時處理分析每天采集至數據中心的振動、撓度、索力等監測數據，后續數據工程師可根據需求對典型數據進行深度分析。以下列舉部分監測結果：

4.1 模態分析

模態分析是指對橋梁動力特性進行分析，確定橋梁的各階固有頻率、阻尼比和振型。動力特性體現了橋梁整體剛度性能，測得動力特性，可獲得在役橋梁現階段的“指紋”，用于橋梁損傷識別[5]。

結構模態控制方程：

w2mα=kα

(1)

式中：α為結構振型；w為振動頻率；m為質量矩陣；k為剛度系數。

通過蘭佐斯法求解結構模態控制方程的特征值和相應的特征向量(wn，αn，n=1,2…，m)，即為結構各階振動頻率和振型。

對于式(1)中剛度系數：

k=ke+kg

(2)

式中：ke—彈性剛度；kg—幾何剛度。

ke主要取決于結構材料、約束和體系等，kg主要取決于結構的初始內力。對于本橋，進行模態理論計算分析時，需考慮斜拉索力、預應力、自重、二期恒載等產生的軸向壓力對結構幾何剛度的影響。

在環境激勵作用下，振動模態理論計算與實際監測結果見表2，理論計算與實際監測振型對比見表3，總體可見Civil和FEA計算值均小于實際監測結果，說明橋梁的整體剛度性能較好。實體模型計算值與實際監測結果更加吻合，均大于線性桿系模型計算結果。

表2 前八階模態理論計算和實際監測結果對比

表3 前八階理論計算與實際監測振型對比

4.2 撓度分析

壓差式靜力水準儀的工作原理是，利用液壓敏感單元測量各個測點儲液器內壓強變化值相對于基準點的變化，計算出各個測點壓強變化進而計算出撓度變化值。以右幅測點為例，監測截面和測點編號見表4。

表4 監測位置和測點編號

對于初始狀態(t=0)液面平衡計算公式：

Z0i+h0i=Z00+h00(i=1,2,3,4)

對于任意時刻t時，主梁發生撓度變化時，各測點高程變化為ΔZt1、ΔZt2、ΔZt3、ΔZt4、ΔZt0，各測點液面高度變化Δht1、Δht2、Δht3、Δht4、Δht0，此時液面平衡計算公式：

ΔZti+Δhti+Zti+hti=ΔZt0+Δht0+Zt0+ht0

對于任意時刻t，基準點ΔZt0=0，可求得：

ΔZti=Δht0-Δhti=(Δht0-h00)-

(hti-h0i)(i=1,2,3,4)

根據上述計算原理，YSW3測點撓度時程曲線見圖20(圖中2019年12月12日實測撓度超過預警線為系統維護時段造成)。圖中曲線為實測撓度值，箭頭直線為預警值，主梁撓度在可變荷載作用下會發生上撓與下撓的交替變化，且數值大小均未超過黃色預警線。

圖20 YSW3測點撓度時程曲線圖Fig.20 Deflection time history curve of YSW3 measuring point

5 結論

1)對2019—2020年一年來的監測數據進行了歸納總結，其中模態分析，識別結果與Civil理論計算結果比值為1.02～1.26，與FEA理論計結果算比值為1.00～1.08；系統運行時對撓度實測值依預設程序自動進行計算分析，結果未超過紅色預警值。

2)智慧云集成系統采用基于B/S架構開發的智慧監測云網平臺，只需要網絡和瀏覽器便可進入監測系統，減輕維護升級成本，共享性強，是健康監測系統平臺的發展方向。