纜索支撐橋梁結構健康監測技術研究

胡先磊

（云南路建集團欣業工程質量檢測有限公司，云南 昆明 650200）

引言

橋梁健康監測和管理的重要性已引起工程人員的關注，合理的結構健康監測可以延長橋梁的使用壽命并減少維修檢修費用。大跨徑橋梁，特別是纜索支撐橋梁，其檢查、維護修復費用高昂，并且經常會帶來復雜的技術問題。測量和分析動態響應數據，臨時或常規檢查、維護和康復計劃，可及時發現橋梁結構安全隱患[1]。測量和分析結構健康監測數據對于提高大跨度橋梁在環境荷載和外加荷載作用下的結構性能具有重要意義[2-3]。

1 橋梁結構監測系統

1.1 數據采集和傳輸系統

數據采集和傳輸系統是通過光纖網絡連接的基于電腦端的數據采集單元（DAU）。光纖網絡的體系結構可以使用令牌環系統。一個數據采集單元通常控制64～128個高速數據通道，數據采集單元的數量通常取決于高速數據通道的數量，而數據采集單元的位置則取決于低電阻、低靈敏度和非線性輸出特性傳感器的位置。傳感器、數據采集單元和光纖網絡之間的連接見圖1。

圖1 數據采集系統布局

1.2 數據處理與控制系統

數據處理與控制系統對數據采集、處理、傳輸、歸檔備份、顯示和操作進行全面控制。現有的結構健康監測系統有定制的MATLAB、GPS軟件和MATLAB的數據分析套件。除了MATLAB數據分析套件，LABVIEW軟件將用于監測系統中，因為數據采集和傳輸系統的硬件基于PXI實時控制器，該控制器與LABVIEW軟件最為兼容，可用于數據采集和相關工作。所有數據處理和分析工具都必須具備推導或計算振幅域、時域、頻域和頻率計數所需函數的能力。

1.3 便攜式數據采集系統

結構監測系統中的可攜式數據采集系統包括一個基于電腦端的數據記錄器、二十四個便攜式雙軸伺服型加速度計、五個便攜式單軸伺服型加速度計和十六個電纜盤（每個卷筒長度為100 m）的五類UTP電纜，并配有一個定制的LABVIEW軟件系統，用于采集、處理、存檔、存儲和顯示。它用于測量纜索的張力，并輔助固定伺服式加速度計識別橋梁的整體動態特性。收集的數據將直接傳輸到數據采集和傳輸系統進行頻譜分析。

1.4 便攜式檢查和維護系統

結構監測系統中的便攜式檢查和維護系統包括3臺便攜式筆記本電腦，用于對數據采集和傳輸系統進行檢查和維護工作。便攜式檢查和維護系統的另一個功能是通過存儲和更新所有系統設計信息（包括所有圖紙和所有操作和維護手冊）來促進系統檢查和維護。

2 健康監測類別與程序

2.1 風荷載監測

風荷載在大跨度斜拉橋結構設計中占有重要地位。橋梁結構安全健康監測系統中的風荷載效應監測包括臺風、季風和大風（即平均速度大于5 m/s的任何風）的監測，分為五個步驟：（1）記錄/存檔來自甲板水平的超聲波式風速計3個正交方向的風速時程數據，以及螺旋槳式風速計的塔頂水平面風速和風向的時程數據。（2）繪制平均風和陣風的風玫瑰圖，并繪制梯度和陣風風速剖面圖。（3）計算風紊流強度、時間和長度標度、頻譜、共譜和相干度。（4）繪制橋梁構件（裝有加速計、位移傳感器）對風速的響應。（5）繪制安裝有應變計的抗風支撐構件的應力需求比圖。在獲得足夠的風數據結果后，進行極值分析，以預測各自正常使用極限狀態和極限狀態下的極端風況。

2.2 溫度荷載監測

橋梁的熱響應受環境溫度、風速波動、材料性能、表面特性和截面形狀的影響。該系統的溫度或熱負荷效應監測分為四個步驟：（1）測量空氣、瀝青路面、不銹鋼的溫度，繪制溫度隨時間的變化曲線。（2）從橋面板、塔架和電纜的代表性或關鍵截面的測量點推導或計算有效橋梁溫度和溫差，并繪制推導或計算結果與時間的關系。（3）估算/計算由實測溫度梯度引起的橋梁上部結構應力水平。（4）根據溫度繪制甲板的熱運動圖，如垂直運動的主跨中間和縱向運動的運動縫處的溫度。測量結果將用于與設計值進行比較。此類監測的傳感器為溫度傳感器、位移傳感器和應變計，溫度負荷監測結果見圖2。

圖2 溫度監測結果

2.3 道路荷載監測

對于大跨度橋梁，交通堵塞是確定公路荷載強度的主要設計參照，而公路荷載強度取決于車輛荷載強度。交通負荷強度基于每天形成的交通堵塞數量，交通堵塞的位置、持續時間和車輛分布模式以及交通堵塞中交通流所采用的假設[4-5]。

WAWMS中的公路荷載效應監測包括兩個步驟：（1）通過安裝在車道上的動態稱重傳感器測量交通流量和交通荷載，用于識別通過橋梁的不同類型的軸荷載和不同類型的車輛。（2）建立基于應變/應力結果的公路荷載譜，用于關鍵結構構件（如橋槽段）的疲勞損傷評估。此類監測的傳感器類型有動態稱重傳感器、應變計、液位傳感站、GPS和CCTV攝像機。

2.4 鐵路荷載監測

鐵路荷載是交通荷載設計的另一個主要參數。鐵路軌道模型由加勁橋面段拱腹處的縱向工字鋼支撐。因此，鐵路荷載通過縱向工字梁分配到加勁橋面段。由于沒有傳感器來測量列車對橋梁施加的動荷載，因此采用安裝在縱向工字梁上的應變片間接進行鐵路荷載監測。對應變和位移結果進行處理，以確定每組轉向架載荷的影響線（力和位移）。一條列車線（7輛編組列車，由14組轉向架載荷組成）的影響線由14組影響線疊加而成，處理應變結果以評估鐵路負荷譜疲勞負荷。此類監測涉及的傳感器類型有可焊接應變計、GPS和液位傳感站。列車裝載設計與測量監控見圖3。

2.5 拉索受力監測

在斜拉橋中，索系是抵抗荷載的關鍵構件，特別是對于豎向荷載。在橋梁結構健康監測系統中，索力監測由加速度計、水平傳感站和GPS進行。通過從環境振動的時程加速度數據中提取頻率，可以確定每根電纜中的當前張力。在斜拉橋中，通過對斜拉索振動幅值的監測，可以估算出斜拉索在橋面和索塔上的豎向力和水平力。水準儀和GPS還可以通過轉換實測的纜索凈位移來評估活載作用下的索力。然后將計算的索力與正常使用和極限狀態下的設計值進行比較。吊桿索力監測結果見圖4。

圖4 吊桿索力監測結果

3 結語

介紹了纜索支撐橋梁結構健康監測系統的體系結構，并通過典型圖形圖說明了監測結果的應用，以期為工程實際提供參考。橋梁健康監測系統的設計和運行需要注意四個方面：（1）大跨度橋梁的設計、施工、運營和維護，以確定監測參數的適當位置、類型和范圍，并解釋測量和分析結果；（2）用于測量和處理信號或數據的儀器技術；（3）用于數據輸入/輸出、分析和解釋的圖形CAD和數值分析技術；（4）用于數據傳輸、處理和可視化的信息技術。