風陵渡黃河大橋長期健康監測系統優化研究

曹少杰

（山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司，山西 運城044000）

1 概述

風陵渡黃河大橋為變截面連續梁橋，由邊孔橋與主孔橋組成，邊孔橋跨徑組成為5×87 m，主孔橋為87+7 m×14+87 m。在長期運營荷載作用下，大橋出現梁體下撓、箱梁開裂等病害。為了改善大橋受力，防止該橋承載力及使用狀況繼續惡化，2009—2010年對該橋實施了加固維修。同時依托該橋加固工程，建立長期健康監測系統，實時監測加固過程及運營期內的橋梁結構狀況。

2 長期健康監測系統

大橋的長期健康監測系統主要包括主梁關鍵截面應力監測、主梁變形監測、吊桿內力監測、環境溫度監測等。在該橋每跨跨中布設撓度測點，每跨跨中及根部布設應力測點，選取代表性吊桿布設吊桿內力測點。

主梁變形監測采用靜力水準儀，變形監測點布設在變形最大處，即每跨跨中位置，采樣時間間隔為30 min。主梁應變監測選用光纖光柵應變計，布置在主梁跨中及根部等關鍵截面，每個斷面布設4個應變測點，采樣頻率為1 Hz，并選擇在部分測點附近布置溫度測點，消除溫度對傳感器的影響。鋼箱系桿拱吊桿內力，通過安裝智能穿心力傳感器進行監測。

監測數據通過12芯光纜傳輸至監控機房，監控機房設在大橋管理機構。

自長期健康監測系統運行以來，通過對測試數據的分析整理，掌握了主梁截面剛度較低的相對薄弱位置、撓度、車輛荷載對主梁產生的較大應變和變形，從而更加準確地掌握大橋運營期的受力狀況，對大橋安全保障和運營管理起到了重要的作用。同時提出各傳感器車輛荷載應變最大、最小的預警閾值，并對超預警值發生時段進行了整理分析，為交管部門提供了針對性的交通管控措施。

3 現有監測系統存在的主要問題

3.1 無法開展動撓度監測

現有撓度測試采用基于連通管原理的靜力水準儀，由于水準液體的滯后性，不能實時監測由于重型車輛通過主梁產生的位移，只能反映主梁變形的長期趨勢。同時采樣頻率較低，無法滿足動撓度監測需要。

3.2 缺少橋梁振動監測

橋梁振動的頻率與結構的剛度呈正相關，通過對結構頻率的監測，可掌握橋梁剛度的變化情況。

3.3 現有采集軟件功能不滿足在線監測的需要

現有采集軟件主要側重于數據的正常采集與存儲，例如光纖采集軟件，雖然能實時繪制應變曲線圖，但僅顯示最近60 s的實測數據，無法查看其他時段數據；同時也無法用實際回歸后得出的應變計算公式來進行數據分析。

3.4 預警系統智能化不高

該系統雖然建立了橋梁預警閾值，但不能實現數據自動分析和報警功能，無法滿足橋梁動態監管的需要。鑒于該系統監測內容不全面，監測軟件及預警系統不夠智能等，限制了健康監測系統的進一步應用，因此有必要按照先進適用、經濟合理的原則，對該系統進行進一步優化和完善，從而實時動態監測橋梁車輛荷載信息、結構受力狀況等，獲取反映結構綜合狀況的各種信息，并能夠依據監測結果進行智能預警，有助于管理者發現早期結構病害，及時采取有效措施，確保橋梁的安全使用并進行必要的維修以延長橋梁壽命，確保結構的受力安全。

4 系統優化完善方案

針對現有系統運行中存在的不足并經專家評議，最終完成的系統優化完善方案主要包括主要傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據控制與處理子系統、結構預警子系統、數據庫管理子系統、交通安全監控系統、結構狀態評估及預警系統和用戶界面子系統8個子系統，從而實現：加密補充主梁關鍵斷面應變的實時監測，b梁跨中動撓度和靜撓度監測，實現車輛荷載的動態稱重監測，實現大型重載車輛在橋面實時隊列情況，實現主梁關鍵部位的振動監測，監測軟件及預警系統智能化、自動化。優化完善后的健康監測系統如 圖1所示。

圖1 優化完善后的健康監測系統

4.1 對主梁相對薄弱部位補充加密應變傳感器

根據現有監測數據分析結果，第3、7、10、12、13跨跨中部位應變測試數據比其他位置應變數據偏大，尤其是第12跨、第13跨最大應變達400με左右，為主梁相對薄弱部位，因此有必要對這些薄弱部位的應變測點進行加密，進一步掌握這些部位應變的實際狀況，保障大橋的受力安全。

4.2 在主梁相對薄弱的橋跨安裝動撓度及振動傳感器

現有撓度測試采用靜力水準儀，無法測試橋梁的瞬態撓度響應。而采用速度傳感器能夠測試橋梁的瞬間撓度，但不能準確測試結構的長期撓度趨勢。因此選擇主梁相對薄弱的橋跨安裝速度傳感器進行動撓度測試，同時選擇代表性橋跨安裝振動傳感器，進行結構振動測試。

4.3 在橋頭安裝動態稱重系統，監測通過橋梁上的車輛荷載狀況

通過對結構的變形和應變進行監測，結合作用在橋梁上的車輛荷載監測狀況，可為橋梁結構運營過程中的受力狀況分析提供必要的技術資料。

4.4 在橋面建立區間重載車輛檢測系統

在橋面建立區間重載車輛檢測系統，實時監測橋面上大型重載車輛位置，繪制重型車輛在橋面的實時分布圖，從而可掌握車輛荷載在橋面的排隊情況，為大橋養護管理提供依據。

4.5 在鋼箱拱吊桿安裝加速度傳感器，監測吊桿內力

鑒于該橋增設拱圈的橋跨主要通過吊桿將主梁受力傳遞給主拱圈，因此選擇代表性吊桿安裝加速度傳感器，采用頻率法監測吊桿力變化，可在一定程度上反映主梁和拱圈之間受力的實際狀況。

4.6 升級采集軟件

采用儀器廠家的通信協議進行采集軟件的編寫，實現的功能有：設置傳感器參數，應變或撓度等參數的公式計算（公式可編輯），采集數據存儲，實時顯示采集數據，數據查詢等，根據監控機房的升級改造，編寫相關圖形顯示軟件，使重要的監測參數可通過圖形直接顯示。另外，對車輛動態稱重測試數據進行整理分析，以圖形的方式直觀地顯示出橋梁上具體的車輛荷載隊列。

4.7 實時分析計算采集數據，建立大橋智能預警體系

編寫數據分析軟件，采用濾波或者平滑算法對監測數據進行實時處理，分析車輛荷載產生的應變或變形，并進行統計分析和判斷，確定當前狀態是否超限，根據超限的實際情況建立分級預警體系，并在第一時間將相關預警信息以短信的方式發送給大橋管理的相關人員，以便及時啟動相應的應急預案。

4.8 實現數據共享

編寫相關軟件，將采集的重要數據直接顯示到信息中心的相關電腦上，如關鍵截面的應變及變形、橋梁上的車輛荷載信息、超限預警數據信息等。

5 小結

橋梁健康監測系統的優化完善，應全面考慮橋梁的結構和運行現狀。結合原有健康監測系統運行經驗以及橋梁運營管理實際需求，重點關注各種使用荷載下的結構性能及工作環境實施監測及預警，有針對性提出優化完善方案。系統優化完善以來運行正常，科學指導運營管理，極大提高了橋梁管理科技水平，對保證橋梁正常運營具有重要的意義。