楊燕青
(上海市嘉定區交通建設管理中心,上海市 201899)
2021年3月1日,交通運輸部發布了《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》,決定在“十四五”期組織開展跨江跨海峽等長大橋梁結構健康監測系統建設,并列出了必須要做健康監測系統的401座大型橋梁,標志著橋梁結構健康監測系統發展的“黃金時代”即將到來。
橋梁健康監測系統是指: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,對橋梁荷載與環境作用及橋梁結構性能參數進行測量、收集、處理、分析,并對橋梁正常使用水平與安全狀態進行評估與預警的系統[1]。通過對橋梁的響應、環境以及荷載等狀況進行全面的監測,動態掌握橋梁結構的運行狀況,在異常情況下進行預警,達到防范和化解橋梁運行重大安全風險,進一步提升橋梁結構安全保障能力的目的。
橋梁如人,難免有病有恙,需要維修,維修前需要看病診斷,作為橋梁管理單位,依法依規對橋梁進行定期檢查和檢測,并進行及時地養護、維修或加固,是確保橋梁運營安全的重要手段。但對于一些特別重要橋梁、長大橋梁以及特殊結構橋梁,僅依靠傳統的檢測技術和養護手段,是否還能滿足橋梁運營安全的需求?
例如,蕰藻浜大橋是我區公路上的一座大型重要橋梁,2010年通車,橋梁總長420m,其中主橋采用飛燕式中承式鋼管混凝土系桿拱橋(見圖1),長220m,跨徑組合32m+156m+32m。該橋地處城鄉結合部,橋上交通繁忙,且通行重車較多,如何確保橋梁始終處于安全、可控狀態,是擺在橋梁管理單位面前的一個題目。

圖1 蕰藻浜大橋立面示意圖
橋梁檢查是對橋梁的全面“體檢”,為橋梁的運行安全提供了強有力支撐。然而,由于傳統的橋梁檢查主要依靠人工進行檢測,一方面,檢查結果的可靠性除了與儀器設備精準度、檢測環境等客觀因素有關外,在很大程度上還受到檢測人員的工作態度、技術能力和檢測經驗等主觀因素影響,而且需要投入大量人力、物力,需要占道影響交通等;另一方面,人工檢查是間斷的測量,一旦橋梁在兩次檢查的間隔期間內發生緊急情況,比如超載通行、偶然沖撞、臺風等可能會對橋梁產生損傷,人工檢查如不能及時發現,這將給橋梁運營安全埋下嚴重的安全隱患。
橋梁結構健康監測技術不同于傳統的橋梁檢查,其是運用先進的各類傳感器與發達的物聯網通訊技術,實現對橋梁全天候、實時、動態監測,并依靠已建立的橋梁模型對采集的數據進行分析和評估,從而實現對橋梁健康狀況的動態監測。與橋梁檢查技術相比,其具有實時、動態監測以及反應迅速等顯著優點。
綜上所述,橋梁檢查和健康監測均是保證橋梁結構安全運營的重要措施,這兩種技術手段應相輔相成,互為補充,尤其是對長大橋梁和復雜結構橋梁實施健康監測系統,意義重大。因此,對于蕰藻浜大橋,除依規組織進行日常巡查和定期檢查外,為實時掌控大橋的運行受力情況,輔助管理單位的科學管養,建設一套符合大橋需求的健康監測系統是必要的,也是十分需要的。
橋梁健康監測的基本功能是通過構建實時監測系統,實現對大橋關鍵荷載源(風、地震、車輛荷載)和結構響應(變形、應力、振動、纜索力)的實時監控,為大橋在極端氣候、特殊交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號,為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導,降低橋梁運營風險和社會財產損失[2]。
蕰藻浜大橋健康監測系統的建設目標為:(1)獲取橋梁結構主要構件在環境與交通條件下的運行狀態,動態評估橋梁結構的安全性和使用性;(2)發生突發事件(如船舶、車輛撞擊,超載,極端天氣)后,能夠立即識別和反應,可及時查明結構狀態和評估預警;(3)獲取橋梁結構的外部荷載(主要是車輛荷載)和損傷過程,為大橋的科學管養與維修決策提供依據。
為實現上述建設目標,蕰藻浜大橋的健康監測系統分以下幾個子系統:結構位移與受力監測子系統、環境與交通監測子系統、數據傳輸子系統、健康狀況評估與安全預警子系統。
(1)結構位移與受力監測子系統
蕰藻浜大橋為中承式系桿拱橋,通過分析其結構特點,荷載傳遞的基本路徑是:車輛活載作用于橋面板上,橋面荷載將力傳遞給縱、橫梁組成的框架體系,然后通過吊桿系統傳遞給主拱肋,再由支座向下部結構進一步傳遞。
因此,結構位移與受力監測子系統的監測對象主要圍繞拱肋、吊桿、主梁(縱梁、橫梁)、橋面板、墩臺等主要受力構件展開。主要監測項目為應變、變形和索力。主要監測設備有光纖光柵應變傳感器、靜力水準儀、全站儀、索力傳感用無方向加速度傳感器等。
(2)環境與交通監測子系統
大橋地處長江三角洲,夏季溫度高,且空氣濕度大,對鋼結構耐久性有影響,需掌握橋梁周邊大氣環境的溫濕度。又由于橋址周邊區域空曠、地勢平坦,尤其夏秋季受臺風影響,橋上風力較大,需對風力進行監測。此外,該橋所處道路交通繁忙,且通行重車較多,需全天候監測過橋車輛的車速、總重以及交通量等信息,并對超載車輛號牌、現場場景照等信息予以記錄。
因此,大橋環境與交通監測的主要對象和項目為:大氣環境溫濕度、風速、過橋車輛荷載、交通量等。監測設備主要有:溫濕度傳感器、風速儀、不限速汽車稱重儀、車牌識別攝像機、全景高清攝像機等。
(3)數據傳輸子系統
數據傳輸子系統包括了現場數據傳輸和遠程數據傳送。由于本監測系統現場采用了大量的光信號設備及數字信號設備,最終選用光纖通信設備并使用雙環冗余網絡交換機和多芯鎧裝光纜(有備用光纖)組成光纖環路,來完成橋梁現場各個現場測站之間的通信及可靠性。對于現場和監控中心之間的數據傳輸,采用無線傳輸方式,利用非視距(NLOS)無線網橋來實現數據遠程傳輸。
(4)健康狀況評估與安全預警子系統
該子系統主要是對傳輸到監測中心的數據進行存儲、分析、處理以及評估和預警,是整個健康監測系統的核心。根據其功能定位,又將該子系統劃分為數據處理分析、狀態評估和安全預警三個模塊。
數據處理分析模塊包括前處理與后處理兩部分。前處理主要是對接收的、來自于自動化數據采集系統原始數據的整理、篩選,并將結果進行存儲。后處理主要是將已存儲的數據重新獲取后,進行離線分析,數據處理分析主要是為結構狀態評估、安全預警等提供數據支持。
狀態評估模塊,將數據處理分析結果與結構理論計算值進行橫向比較,以及與歷次實測數據進行縱向比較,并結合人工巡檢情況,按照規范對本橋所監測的應力、變形、索力等進行分析,據此評估橋梁主要受力構件的工作情況和橋梁總體狀況。
安全預警模塊,主要針對突發情況下的橋梁報警,需要確定預警的參數、閾值、分級、通知方式、應急方案等內容。
蕰藻浜大橋健康監測系統自2013年建成運行以來,至今已有8年,系統運行狀況總體良好,現場安裝的各類型傳感器存活率高,監測數據持續穩定,這對橋梁管理單位實時掌控大橋安全狀態,輔助大橋科學管養等方面發揮了積極作用。以該橋2021年1月份監測數據為例,通過統計橋梁交通量和實際通行車輛荷載,并結合各類傳感器采集的數據,分析超重荷載對橋梁狀態的影響。
經環境與交通監測子系統識別和統計,蕰藻浜大橋2021年1月份通行車輛總數為34.17萬輛,最大日通行車輛總數達1.48萬輛,期間未出現交通擁堵和車輛集中停留的現象,交通狀況正常,1月份每日車輛通行情況見圖2。

圖2 1月份每日通行車輛統計圖
蕰藻浜大橋設計荷載城-A級,橋梁限載40t。2021年1月份,過橋車輛中,超過橋梁限載噸位的車輛總數為560輛,超載最大車輛總重為74.14t,其中,1月1日超載車輛最多,高達76輛,最重車輛也出現在該日。1月份橋梁超載車輛數量統計情況見圖3,1月份每日最大車重曲線圖見圖4。

圖3 1月份超載車輛統計圖

圖4 1月份每日最大車重曲線圖
選取主拱肋拱頂底面應變、變形以及11#吊桿索力共三個監測點,對1月份監測數據進行統計并繪制曲線圖(見圖5~圖7)。可以發現,各監測項目曲線的變化規律基本相似,且與1月份每日最大車重曲線圖變化規律也高度相似,各曲線峰值均發生在1月1日,可以判斷大橋當月的應變、變形、索力最大監測值的出現均與超載車輛過橋有關。由于監測數據均未達到預警值,且超載車輛通過后各構件監測數據恢復正常,表明當月超載情況對橋梁結構的影響程度有限,大橋處于安全可控狀態,但長期超載,仍對橋梁安全運營存在不利影響,超載管理仍是橋梁主管部門今后關注的重點。下一步,將與路政、交警等部門聯合,推送監測數據,對車輛超載行為進行懲戒,確保大橋運行安全。

圖5 主拱肋拱頂下緣應變曲線圖

圖6 主拱肋拱頂位移曲線圖
(1)橋梁健康監測系統具有全天候、實時動態、測試精度高等優點,通過對橋梁的響應、環境以及荷載等狀況進行全面監測,動態掌握橋梁結構的運行狀況,在異常情況下進行預警,達到防范和化解橋梁運行重大安全風險,進一步提升橋梁結構安全保障能力的目的。

圖7 11#吊桿索力曲線圖
(2)在發揮橋梁健康監測系統優勢的同時,我們也要清醒地看到其還存在不足之處,如健康監測雖然實時動態,但由于監測點不可能對橋梁結構的每個構件進行全覆蓋,故還不能完全依賴健康監測方法,必須結合日常巡檢和定檢,充分發揮橋梁檢測和健康監測兩種手段的各自優勢,相互補充,確保長大橋梁的運營安全。
(3)BIM技術目前在國內應用越來越普遍,有些重點工程招標時建設方要求必須應用BIM技術,許多大型橋梁在設計階段也已開始應用BIM技術,如何將其與結構健康監測系統相結合,更好地為后期橋梁管養服務,是未來研究的一個方向。