橋梁結構健康監測系統在沙埕灣跨海大橋上的應用

■鐘 華

（1.福建省高速技術咨詢有限公司，福州 350108；2.福建省高速公路工程重點實驗室，福州 350108）

隨著我國交通建設事業大發展， 大量特大、特長及特殊結構橋梁相繼建成，我國橋梁建設水平進入世界前列。 然而，我國橋梁養護管理仍存在諸多問題。 近幾十年來發生的大量橋梁災難性事故，證明常規的橋梁養護管理模式已經不能滿足現代化橋梁管養的實際需求。

健康監測系統作為一種多學科交叉融合技術的信息系統， 能有效地對橋梁健康狀態進行管理，目前已有不少學者對其涉及領域進行研究[1-5]。 其中聶功武、宗周紅等學者對模型修正、損傷識別和狀態評估等重點課題進行了深入研究，他們的研究成果對于健康監測系統的數據分析具有重要的指導意義[6-12]。 因此，如何科學地將健康監測系統應用到橋梁養護管理中，進一步提高橋梁運營期的耐久性及安全性，成為一個亟待解決的問題。

1 工程應用實例

1.1 工程概況

沙埕灣跨海大橋主橋采用（168+535+258）m 單側混合梁斜拉橋，為半飄浮體系，其中北邊跨為混凝土箱梁，主跨與南邊跨為鋼箱梁。斜拉索共136根，采用空間扇形雙索面布置形式。 主橋為整體式斷面，橋面寬度40.5 m（含風嘴）。 項目于2021 年1 月正式通車，通車后福建省高速公路通車里程突破6 000 km，成為全國高速密度排名第3 的省份。 橋型布置見圖1。

圖1 沙埕灣跨海大橋橋型布置圖

1.2 系統總體架構

沙埕灣跨海大橋結構健康監測系統是一個信息化系統工程，主要包括傳感器、數據采集與傳輸、數據處理與管理以及用戶界面交互與安全預警等部分。 總體架構見圖2、圖3，主要功能如下：（1）傳感器子系統：由荷載與環境監測、結構整體響應監測和結構局部響應監測傳感器構成，可實現橋梁環境參數、車輛荷載參數及視頻信息、結構響應的測量。 （2）數據采集與傳輸子系統：由數據采集設備、數據傳輸設備與纜線、 數據采集與傳輸軟件構成，可實現傳感器數據同步采集與傳輸， 保證數據質量、不失真。 （3）數據處理與管理子系統：由數據預處理、中心數據庫、數據查詢與管理等軟硬件構成，實現橋梁監測數據的處理、查詢、存儲與管理等功能。 （4）用戶界面交互與安全預警：實現數據實時在線顯示、安全預警等功能（圖4）。

圖2 系統軟件架構圖

圖3 系統數據傳輸圖

圖4 實時數據展示界面

1.3 監測內容

基于自動化結構監測內容選擇原則，并結合橋址區運營環境特點、 結構受力特性與構造特點，沙埕灣跨海大橋監測內容見表1。

表1 沙埕灣跨海大橋監測內容

系統監測傳感器及采集站總體布置見圖5、圖6。

圖5 傳感器測點總體布置圖

圖6 數據采集站總體布置圖

2 安全評估

結構安全評估作為監測系統的最終成果體現，是與橋梁養護管理最直接相關的部分。沙埕灣特大橋健康監測系統安全評估包括單項監測數據統計分析、荷載校驗系數專項評估分析、斜拉索索力專項評估分析及橋梁動力特性專項評估分析等內容。

2.1 單項數據分析

單項數據分析主要包括最大值、最小值、平均值、均方根值、累計值等統計值分析。

2.1.1 溫濕度監測統計分析

由表2～3、圖7 可知，實測主橋鋼混結合段截面箱梁內溫度正常，未見異常極端天氣；實測主橋鋼混結合段截面箱梁內和索塔錨固區位置處的濕度主要在50%～80%，建議檢查鋼箱梁密閉性及除濕系統工作狀態。

圖7 部分溫濕度測點統計分析

表2 溫度統計最值

表3 濕度統計最值

2.1.2 撓度分析

由表4、圖8 可知，活載作用下，全橋上游最大撓度為26.9 mm，發生在主跨1/4 分點截面上游，未超過該截面處黃色預警值[-324.8，85.6]mm。全橋上游最小撓度為-466.6 mm，發生在主跨跨中截面上游，未超過該截面處黃色預警值[-616.8，164.8]mm。 全橋下游最大撓度為60.3 mm，發生在秦嶼側邊跨跨中截面下游，未超過該截面處黃色預警值[-212.0，161.6]mm。全橋下游最小撓度為-276.6 mm，發生在主跨跨中截面下游，未超過該截面處黃色預警值[-616.8，164.8]mm。分析表明，活載作用下，實測主梁撓度包絡均小于正常使用狀態下的撓度包絡理論計算值。

表4 主梁撓度統計最值

圖8 部分撓度測點統計分析

2.1.3 風速分析

由表5、圖9 可知，實測大橋主跨跨中橋面、索塔塔未超過設計基準風速35.2 m/s。

圖9 部分風速測點統計分析

表5 風速統計最值

2.1.4 鋪裝層溫度

由表6、圖10 可知，實測鋪裝層在夏日高溫天氣下，鋪裝層溫度較高，建議采取主動降溫措施。

圖10 部分鋪裝層溫度測點統計分析

表6 鋪裝層溫度統計最值

2.1.5 振動監測

由表7、圖11 可知，振動幅度較小，振動在正常范圍內，實測主梁及索塔未發生異常振動。

圖11 部分振動測點統計分析

表7 結構振動10 min 均方根最值統計

2.2 專項分析

2.2.1 動力特性分析

動力特性包括結構的自振頻率、振型、阻尼比等，通過動力特性試驗和理論分析來了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，著重分析橋梁剛度情況、橋梁抗扭、抗風情況以及橋梁耗散外部能量輸入的能力強弱，衰減快慢，為橋梁運營管理及改造提供科學的依據。 沙埕灣跨海大橋模態振型分析見圖12～18。

圖12 沙埕灣跨海大橋模態頻率峰值拾取

圖13 第一階振型

圖14 有限元模型第一階振型

圖15 第二階振型

圖16 有限元模型第二階振型

圖17 第三階振型

圖18 有限元模型第三階振型

由表8 可知，大橋實測頻率與理論計算頻率吻合度高，結構實際剛度和實際約束條件滿足有關設計要求，結構整體性能狀況良好。

表8 自振特性實測值與理論計算值對比

2.2.2 斜拉索索力分析

斜拉索索力測試方法為振動頻率法。 通過對現場采集的振動信號進行譜分析后，得到斜拉索索自振頻率，然后綜合考慮拉索邊界條件、垂度、阻尼器、抗彎剛度等因素后，對索力進行計算。 沙埕灣大橋斜拉索索力分析見表9。

表9 斜拉索索力計算

索力分析表明，沙埕灣大橋在運營期間，實測各個監測斜拉索索力均小于容許索力，安全系數在2.87～3.85，滿足設計要求，斜拉索在運營期間處于安全狀態。

2.2.3 車輛荷載校驗系數分析

結合結構監測系統的精度及實際的評估需要，選取典型時段內車重較大的車輛（選取車重：63.4 t）經過跨中位置時的結構撓度校驗系數作為評價指標。 撓度校驗系數ζ 含義如下：

ζ 為校驗系數；Se為實測彈性變位；Ss為理論計算彈性變位。撓度校驗系數小于1（即實測跨中撓度小于理論跨中撓度），即認為結構剛度性能正常。

（1）車輛作用時段情況。 在時段的選擇上遵循以下原則： ①該時間段內有大于49 t 的車輛通過；②該時間段內溫度、風等環境因素變化較小，不會對分析結果產生較大影響；③該時間段內動態稱重系統及壓力變送器數據正常，無異常情況。

選取2021 年10 月13 日02:54 的動態稱重系統及壓力變送器數據作為分析對象，該時段內車輛數據：車道3、軸數6、總重量63350 kg，該時段內共有1 輛滿足條件的車輛經過。

（2）校驗系數計算。 由于壓力變送器測得的撓度數據包含了溫度、風等環境因素的影響，而本節分析主要是針對交通荷載，需要消除環境因素的影響，故選取相應的基準壓力變送器的數據為基準撓度值。 本時段內，重車通過時，針對關鍵節點（例如：四分點，跨中點）進行1 h 的撓度監測，其撓度實測數據見圖19。

圖19 關鍵節點撓度實測數據

通過計算分析，在車輛荷載作用下沙埕灣跨海大橋主梁各跨中位置撓度測點撓度校驗系數均小于1，撓度校驗系數見表10。 由此說明本橋結構剛度滿足要求，橋梁結構整體工作性能良好。

表10 校驗系數計算

綜上所述， 目前沙埕灣跨海大橋結構健康監測系統各項監測數據基本正常，大橋處于正常工作狀態。

3 融合健康監測與檢測的評估方法

雖然與傳統的外觀檢測相比，橋梁結構健康監測系統更能反映結構整體內在的損傷。 但是，健康監測系統的長期監測數據失真率會隨時間的推移而增加， 如果單憑健康監測數據評估橋梁的狀況，難以保證其評估的準確度。

因此， 基于外觀檢測能較為準確地評估出橋梁綜合技術狀況水平， 并用健康監測數據的長期變化趨勢來“修正”外觀檢測，將兩者有效結合起來，能夠得出更全面更準確的橋梁狀況水平。 主要有以下幾種方法：（1）健康監測數據和外觀檢測數據的融合一般分2 種，第一種可以賦予各自不同的權重，綜合得出橋梁綜合狀況水平。 但這種方法現在還不成熟，權重的選取、層次的劃分還需大量研究；第二種方法是以傳統外觀檢測為主，以健康監測數據為輔，在外觀檢測得出的橋梁技術狀況水平的基礎上，充分考慮健康監測所體現出的病害。 例如傳統外觀檢測中，斜拉索系統外觀完好，但是健康監測系統顯示某些斜拉索索力異常。 此時需考慮斜拉索內部鋼絲是否出現嚴重銹蝕等情況，并酌情考慮開艙檢測。 （2）對于已經建設健康監測系統的橋梁， 應根據監測數據及其他數據對結構損傷狀況進行識別，在此基礎上修正計算分析模型，使之能夠更加真實地反映結構的實際受力狀況。 同時，在對橋梁進行技術狀況評估時應參考監測數據，使得橋梁構件評分更加科學，減少構件評分的人為因素。橋梁結構承載能力安全評估流程見圖20。

圖20 橋梁結構承載能力安全評估流程

此外，可以考慮將健康監測系統與荷載試驗相結合。 荷載試驗是對橋梁結構工作狀態或實際承載能力進行檢驗的一種試驗手段，荷載試驗數據較容易進行分析且可靠性高， 荷載試驗檢測的結構動、靜力力學指標可作為運營期橋梁健康監測基準狀態力學指標的參考，結合的方法有以下幾點：（1）在養護管理單位的統一安排下，成橋荷載試驗成果將作為橋梁全壽命期檔案過程的一部分靜態資料全部電子錄入運營期橋梁健康監測系統數據庫中，便于未來大橋百年服役期內的隨時調用；（2）成橋荷載試驗檢測數據可作為運營期橋梁健康監測的基準狀態，運營期橋梁狀態可通過與基準狀態對比分析確定，并掌握損傷發展趨勢；（3）基于數據采集設備的相似性，可以結合荷載試驗傳感器布置的原則指導監測系統傳感器的布置，并使用監測系統的傳感器代替荷載試驗所需要的傳感器來實施荷載試驗，同時利用系統進行數據分析與處理。

4 結語

健康監測系統作為我國目前研究的熱點領域，交通運輸部已經將其作為“智慧交通”的重點項目。本研究介紹了橋梁結構健康監測系統在沙埕灣跨海大橋工程項目的實際應用，利用實時監測的數據對橋梁安全狀況進行評估分析，總結了監測與檢測數據融合的方法，為今后監測系統在養護管理的應用提供借鑒。 橋梁結構健康監測系統對養護管理的決策具有重要的指導意義， 應在橋梁養護管理體系、物聯網技術、傳感器研發及數據深挖掘等方面繼續研究，不斷提高監測系統在管理養護過程中的應用價值。