跨鐵路斜拉橋健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

隋 勝

（石家莊市道橋設(shè)施管護(hù)中心，河北 石家莊050000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁在城市運(yùn)行和交通運(yùn)輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是跨鐵路高架橋在建設(shè)和使用過程中的安全性、耐久性和適用性等問題逐漸成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

跨鐵路橋梁受鐵路運(yùn)行的限制，在檢測時面臨巨大挑戰(zhàn)。比如：僅在鐵路運(yùn)行空窗期進(jìn)行檢測，鐵路上方不允許出現(xiàn)異物，要確保鐵路限界等，這些因素使得每次跨鐵路高架橋梁檢測時都需要投入大量的人力、物力與時間。如果在檢測間隔周期內(nèi)發(fā)生意外情況（如強(qiáng)風(fēng)、地震），檢測人員無法及時對橋梁結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行判斷，就無法提前預(yù)警、規(guī)避風(fēng)險。一旦發(fā)生意外，不僅僅是對公路運(yùn)輸，對鐵路運(yùn)輸也會造成巨大影響。建立跨鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可彌補(bǔ)人工檢測時效性可與靠性上的不足，實(shí)現(xiàn)跨鐵路橋梁實(shí)時監(jiān)測預(yù)警，積累橋梁狀態(tài)大數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測評估結(jié)果有效指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)檢查人員定向檢查，提升檢查效率，降低檢查頻次。

考慮跨鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)施工與后期運(yùn)維的便捷性與適用性，本文采用無線傳感物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即通過傳感設(shè)備無線纜部署、傳感節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測預(yù)警。

目前，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立了橋梁狀態(tài)評定方法和指標(biāo)體系。例如《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）對公路橋梁狀態(tài)評定進(jìn)行了指導(dǎo)，《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99—2017）中也詳細(xì)定義了城市橋梁狀況指數(shù)BCI，將橋梁狀況分為五個等級，并提供了橋梁技術(shù)狀況評價的具體指標(biāo)和方法[1]。這些現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)針對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定的方法側(cè)重橋梁結(jié)構(gòu)具體構(gòu)部件的評價。在實(shí)際中，相關(guān)管理部門和養(yǎng)護(hù)決策人員不僅要對局部的構(gòu)部件狀態(tài)進(jìn)行了解，更要對橋梁的整體狀況有所把握。因此，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)綜合狀態(tài)評定是十分必要的。

本文依托某跨鐵路線斜拉橋工程，基于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)，即用橋梁檢測、健康監(jiān)測中獲得的數(shù)據(jù)，將定性評價與定量評價相結(jié)合，對橋梁整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評價[2]。

1 工程概況

某跨越京廣鐵路和鐵路編組場部分高架橋采用雙塔雙索面的PC斜拉橋式。該橋跨度為（55+125+55）m，采用塔墩固結(jié)、主梁連續(xù)全漂浮體系，主梁采用雙主肋斷面，梁高1.7 m，肋寬2 m，橋面寬28.9 m，梁上索距6.3 m，全橋斜拉索72根。全橋按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，雙向6車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，車輛荷載等級為城-A級。斜拉橋主塔高52.24 m，主梁采用掛籃懸澆，主梁底距鐵路限界最小距離為3.45 m。下為27.5 kV高壓接觸網(wǎng)，防電要求高。橋梁實(shí)景見圖1。

圖1 橋梁實(shí)景

2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

2.1 常見病害及特點(diǎn)

某斜拉橋（見圖2）是跨越京廣鐵路的重要工程節(jié)點(diǎn)，共跨越包括京廣鐵路上下行線在內(nèi)的18股道電氣化鐵路，在外部列車荷載、風(fēng)、溫度等因素的共同作用下，其結(jié)構(gòu)性能將逐步退化。如何對橋梁進(jìn)行高效、高質(zhì)管養(yǎng)以保證高速鐵路橋梁的安全運(yùn)營對管理單位提出了較高要求。同時，由于跨鐵路橋梁的特殊性，日常養(yǎng)護(hù)人員無法對橋梁跨鐵路段進(jìn)行檢測，需要建立一套健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測橋梁狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)跨鐵路橋梁實(shí)時監(jiān)測預(yù)警。加之京廣線運(yùn)營繁忙，對施工安全要求非常高，設(shè)備安裝作業(yè)要在鐵路預(yù)約的時間內(nèi)進(jìn)行并完成，給施工和監(jiān)控提出了制約條件。因此，如何結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)、高鐵運(yùn)行零影響與零危害方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工工藝顯得尤為重要。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)示意圖

該橋中跨施工采用前支點(diǎn)掛籃懸臂澆筑，邊跨采用支架現(xiàn)澆。為了平衡中跨掛籃重量，采取邊跨主梁提前澆注一個混凝土節(jié)段作為平衡壓重。該懸浮體系斜拉橋的塔柱和橋墩相固結(jié)而塔柱和主梁分離，主梁梁體由斜拉索懸吊而起，梁端支承可看作具有多跨彈性支承的單跨梁，其主梁在塔柱位置無負(fù)彎矩峰值，所以該區(qū)域主梁受力較均勻，考慮到它的傳力途徑是梁-索-塔，具有以下特點(diǎn)：（1）梁端和塔頂?shù)乃轿灰拼螅唬?）釋放了溫度引起的水平力；（3）縱向靜風(fēng)力和汽車制動產(chǎn)生的塔底彎矩很大。

該斜拉橋主梁寬跨比大，斜拉索為空間索面，邊跨不設(shè)輔助墩也是該橋特點(diǎn)之一。整座橋梁由塔、梁、索三大部分組成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系。結(jié)合斜拉索、鋼筋混凝土索塔和本橋特點(diǎn)，可能的主要病害有：拉索回縮，拉索鋼絲滑絲導(dǎo)致拉索索力退化；拉索主梁振動；拉索錨固處局部裂縫和塔根處的裂縫；跨中下?lián)蠈?dǎo)致底板混凝土開裂。基于橋梁結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境、易發(fā)事故分析及其重要程度，參考《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50982—2014）。

綜合考慮以上因素，從荷載和環(huán)境、結(jié)構(gòu)整體和局部響應(yīng)方面開展結(jié)構(gòu)檢測安排評估系統(tǒng)的搭建，主要對環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、主梁振動、撓度、主塔傾斜、支座位移、索力等進(jìn)行多項(xiàng)監(jiān)測。

2.2 跨鐵路橋的有限元分析

為了更準(zhǔn)確地確定大橋最不利位置、確定系統(tǒng)運(yùn)行時的預(yù)警限值，本方案采用Midas Civil有限元模型對橋梁進(jìn)行受力分析。根據(jù)模型選取橋梁的邊跨跨中、主跨跨中與四分點(diǎn)、橋梁兩端進(jìn)行監(jiān)測。全橋有限元模型共211個節(jié)點(diǎn)，194個單元。其中，主梁74個單元，索塔48個單元，斜拉索72個單元。主梁和索塔為梁單元，斜拉索為桁架單元，橫梁和橋面鋪裝等以荷載形式來模擬。邊界條件模擬為：與設(shè)計(jì)圖紙一致，一側(cè)為單向（橫向）活動支座，一側(cè)為雙向活動支座。橋塔與主梁均采用C50混凝土，斜拉索標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa，車道按雙向6車道加載。橋梁有限元分析見圖3～圖5。

圖3 恒載加活載作用下線型變化

圖4 升溫作用下縱向變形

圖5 1階振動模態(tài)

根據(jù)有限元模型可得：在恒載與活載的作用下，主跨跨中、四分點(diǎn)與邊跨跨中豎向位移較大。其中，主跨跨中撓度最大。因此，在主跨跨中與四分點(diǎn)、邊跨跨中位置布置撓度測點(diǎn)；受溫度影響，主梁梁端與橋塔塔頂變形較大，選取主梁梁端進(jìn)行縱向位移監(jiān)測，橋塔塔頂進(jìn)行傾斜監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測方案制定

通過對大橋的受力分析，參考《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50982—2014）、檢測報告與現(xiàn)場踏勘資料，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)與監(jiān)測需要，根據(jù)橋梁特點(diǎn)制定以下監(jiān)測指標(biāo)：

（1）風(fēng)荷載對橋梁影響較大，監(jiān)測橋塔塔頂與橋面的風(fēng)速風(fēng)向，建立風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，輔助結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。同時在斜拉索上布置索力測點(diǎn)，監(jiān)測索在風(fēng)、車輛等荷載作用下的工作狀態(tài)。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)空間位置變化與結(jié)構(gòu)是一個統(tǒng)一體，以橋梁建成通車時其各主要構(gòu)件的空間位置為初狀態(tài)。通過運(yùn)營期監(jiān)測數(shù)據(jù)與初狀態(tài)的對比，可分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化趨勢。在主梁跨中與四分點(diǎn)這些不利位置布置靜力水準(zhǔn)計(jì)，監(jiān)測主梁線型變化；在橋塔塔頂布置傾角計(jì)，監(jiān)測橋塔的位移。

（3）橋梁自振頻率的降低、橋梁局部振型的改變可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)的剛度降低和局部破壞，或約束條件的改變。在邊跨跨中、主跨跨中與四分點(diǎn)布置振動計(jì)，通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動，從整體上把控橋梁的安全使用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷評估。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無線傳輸架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三層[3]：

（1）多種類型無線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

針對大型橋梁，采用振動計(jì)、傾角計(jì)、位移計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì)、索力計(jì)等組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

可以通過有線或無線的方式靈活組建網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)關(guān)或者以太網(wǎng)關(guān)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸回監(jiān)測云平臺。

（3）監(jiān)測云平臺系統(tǒng)

負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、繪圖、報表匯總和自動預(yù)警等服務(wù)，可通過計(jì)算機(jī)瀏覽器與移動端App訪問使用。

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)方案框架見圖6。

圖6 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)方案框架

3.2 監(jiān)測子系統(tǒng)

本橋監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的底層技術(shù)基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。它使基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)具備自我感知能力，將自身的狀態(tài)信息收集起來，供整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

無線傳感網(wǎng)由大量節(jié)點(diǎn)通過自組織方式組成，包含智能傳感器節(jié)點(diǎn)與智能通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。其中，智能傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)的核心。這些節(jié)點(diǎn)同時扮演數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者和中繼者，所有的智能傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都將匯集到智能網(wǎng)關(guān)，并通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終以單跳或多跳的方式將各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚到基站，再通過以太網(wǎng)或者3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、分析與預(yù)警評估。這種技術(shù)方案的設(shè)計(jì)部署便捷，施工周期短，可克服跨鐵路橋梁監(jiān)測施工難度大、制約條件多等不利條件，能夠最大程度上適應(yīng)跨鐵路橋梁復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施條件和地理環(huán)境。

本方案利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。圖7、圖8為部分無線傳感器安裝示意圖。

圖7 傳感器設(shè)備安裝示意圖

圖8 平臺展示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3 軟件子系統(tǒng)

健康監(jiān)測云平臺能夠?yàn)闃蛄禾峁┙Y(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測云服務(wù)。它的核心任務(wù)是存儲、處理和分析來自無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)（見圖9）。根據(jù)分析結(jié)果，提供橋梁的健康安全評估結(jié)果，并對橋梁異常狀態(tài)和突發(fā)事件進(jìn)行報警。最終的目的是為管養(yǎng)單位提供橋梁養(yǎng)護(hù)、維修工作等方面的科學(xué)依據(jù)，通過科學(xué)的管養(yǎng)延長橋梁壽命、減少橋梁重大事故帶來的人員財產(chǎn)損失。

圖9 平臺數(shù)據(jù)分析功能

4 橋梁異常狀態(tài)識別

建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要目的是能夠有效地對橋梁異常狀態(tài)進(jìn)行識別，用于評估運(yùn)營中橋梁的健康狀況，從而為管養(yǎng)人員提供可靠的管理、養(yǎng)護(hù)建議。一般情況下，橋梁的異常狀態(tài)是長期積累演變所產(chǎn)生的。在此期間，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)量是非常驚人的。為了及時、有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而識別橋梁的異常狀態(tài)，提升橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，需要構(gòu)建一種能夠滿足基于實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁異常狀態(tài)識別的方法。

而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效地利用知識集進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而對輸入特征進(jìn)行模式識別，因此可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建橋梁異常狀態(tài)識別系統(tǒng)[4]。另外，由于監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)時，從監(jiān)控系統(tǒng)的日志中獲取的相關(guān)異常事件可能高達(dá)數(shù)千條，直接使用原始記錄作為特征指標(biāo)，不利于構(gòu)建高效、準(zhǔn)確的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。使用主成分分析方法對原始高維特征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將結(jié)構(gòu)異常特征變量的主成分作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征，有效地降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，同時提高了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度，也保證了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。

通過對大橋進(jìn)行有限元分析，模擬各種結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)下各傳感器布置方案采集到的計(jì)算數(shù)據(jù)，并使用3個月連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬進(jìn)行校正，根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率計(jì)算截取得到的前20個主成分特征值。計(jì)算表明，使用主成分分析方法可有效地從數(shù)百個傳感器指標(biāo)中提取出包含大部分信息的主成分特征指標(biāo)。

針對監(jiān)測選取的主要橋梁異常狀態(tài)，對該橋的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全橋的健康評估。由表1可知，該橋目前運(yùn)行狀況整體良好，無實(shí)際結(jié)構(gòu)異常狀況發(fā)生。

表1 橋梁主要異常狀態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)評估現(xiàn)狀

5 結(jié)語

綜上所述，建立大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測安全評估系統(tǒng)對橋梁的安全運(yùn)營與維護(hù)至關(guān)重要。通過部署無線傳感器，可以實(shí)時獲取橋梁運(yùn)營過程中的環(huán)境荷載、橋梁特征和橋梁響應(yīng)等結(jié)構(gòu)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、有效的分析能確保監(jiān)測成果真實(shí)、合理、有效。結(jié)合巡檢子系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，識別橋梁結(jié)構(gòu)損傷的可能性，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與已有的專家知識樣本，使得對橋梁異常狀態(tài)的識別更加智能化與自動化。基于無線傳感網(wǎng)的監(jiān)測技術(shù)為降低運(yùn)營維護(hù)成本提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)，保證結(jié)構(gòu)檢查維修策略的制訂具有針對性、及時性和高效性。