某異型獨塔斜拉橋監測系統的建設與應用

任剛 張兵 劉增祥 武俊寶 趙亮

（1.晉城晉建國道改線工程有限公司，山西 晉城 048000；2.山西建投晉東南投資有限公司，山西 晉城 048000）

大跨徑斜拉橋具有跨越能力大、造型美觀、結構輕盈等特點，是各級道路跨越河流山谷的常用橋型。此類橋梁一般為路線控制性工程，如果發生事故或中斷交通，往往造成局域路網中斷或癱瘓，對經濟、交通、社會將產生較大不利影響。因此如何及時獲知結構運行狀態、保證運營安全、提前預警并采取應對措施等，是橋梁監管部門的工作重點。通過建立橋梁監測系統，獲知結構荷載作用響應，并分析判斷結構狀態，是目前較為常用的方法[1～2]。隨著傳感、通信、數據處理等技術的發展與革新，橋梁監測也越來越受重視并得到廣泛應用。主塔是斜拉橋的主要受力構件，其造型除滿足受力要求外，往往還需體現景觀美學和人文環境的特點。異形橋塔造型獨特，往往成為區域的景觀或標志，造型獨特往往代表結構受力復雜[3～5]。本文以一種“水滴型”異形塔斜拉橋為例，以應變子系統為主，簡要闡述結構受力特點、監測系統建立及監測結果，為今后同類型橋梁監測系統實施提供參考與借鑒。

一、橋梁概況

丹河特大橋位于國道342線山西省晉城市過境段，橋梁全長1738m，全橋共10聯。其中跨越丹河處主橋采用（130+130）m跨徑鋼混組合梁獨塔斜拉橋。主梁斷面采用鋼邊主梁結合混凝土橋面板的整體斷面。索塔采用“水滴”造型，全高94.5m。拉索采用高強平行鋼絲成品索。斜拉橋采用塔墩固結、塔梁分離的結構體系。橋梁總寬28.4m，雙向四車道通行。橋梁設計荷載為公路I級。橋梁立面布置示意如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置示意

二、結構受力特點

采用邁達斯有限元軟件建立丹河特大橋主橋的計算模型，采用梁單元在設計荷載下主要分析結果如圖2所示。

根據軟件分析結果可知：主梁受力最不利截面在距伸縮縫約31.5m位置；主塔受力不利截面在橋面、塔底附近；塔梁連接處主塔為弧形段，偏心受力現象明顯。上述截面應為重點監測截面。

圖2 橋梁主梁、主塔在荷載組合下彎矩包絡圖

三、監測系統建立

（一）傳感器選型

數據采集所用傳感器的精度、耐久性、可集成性是實現監測目標的基礎與關鍵。該項目采用光纖應變傳感器監測結構應變。該類型傳感器具有抗電磁干擾、耐久性好、傳輸距離遠等優點。為便于結構狀態分析，全橋測點同步采集，采樣頻率為5Hz。

（二）測點布置

測點設置合理與否決定著監測系統能否準確感知結構狀態變化，同時也決定著監測系統的經濟成本。根據計算分析結果及結構構造特點，主梁在關鍵斷面橋面板及鋼縱梁均設置應變測點，典型斷面測點布置示意如圖3所示，主梁應變監測斷面距主塔67.5m、98.5m，主塔兩側對稱布置。主塔塔柱斷面應變測點布置示意如圖4所示，主塔應變監測斷面距承臺28m、47m。

圖3 主梁典型斷面應變測點布置示意

圖4 主塔典型斷面應變測點布置示意

（三）監測系統構成

橋梁監測數據采集軟硬件系統是一個具有高度集成的實時采集系統。結合部分技術成熟的數據采集設備，開發專用數據采集系統用于構建橋梁監測平臺。

1.監測系統構成

主要包括前端傳感器、采集模塊、數據傳輸模塊、數據分析處理模塊、數據展示平臺軟件。

2.數據傳輸方式

該項目采用有線數據傳輸方式，數據基本傳輸路徑為：前端傳感器采集-采集模塊-數據傳輸-中心服務器-顯示終端。

四、監測結果

為分析判斷監測系統能否準確反應結構狀態變化、評價監測系統有效性，截取日常監測中（2021年9月24日06：35～06：36），單車過橋時部分測點同一時間段內應變時程曲線，如圖5所示。主梁應變測點取大小樁號側跨中左側梁底測點；主塔應變測點取南塔北側面大小樁號側測點，主梁或主塔應變測點對稱選取。

圖5 主塔、主梁部分測點相同時段內應變時程曲線

由此可知：車輛在加載跨時，該跨跨中測點拉應變增大，非加載跨對稱測點出現壓應變，待車輛行駛至另一跨時，測點的拉壓狀態互換；所選主塔測點隨車輛位置移動，呈現的變化規律同主梁測點變化規律；主梁主塔的測點結果表明該橋應變測點設置合理，能夠感知荷載變化引起橋梁結構內力變化，且所獲取的結構狀態變化規律符合實際，傳感器的敏感性能滿足監測需要。

圖6 大樁號側跨中主梁左側梁底應變測點影響線

如圖6所示主梁大樁號側跨中左側梁底應變測點影響線的計算分析結果，對比圖5中主梁大樁號側跨中左側梁底應變測點在車輛過橋時的實測應變曲線，兩條曲線形態形似、規律相同。單車荷載下，結構狀態實際和理論的變化規律一致。以該監測系統的監測結果為基礎分析判斷結構狀態，可實現監測預期目標。

五、評估預警

日常監測將產生大量數據，如何有效利用這些數據及時評估大橋承載能力、營運狀態是監測系統使用效率的評價指標。為實現監測及時性，通過對監測數據在線初步統計、繪制趨勢圖等，并與預警值比較，實現預警提示。同時為提高監測評估準確性，除在線評估外，對涉及安全的在線預警提示還應結合專家評估系統離線評估。最終形成各種評估報告，為橋梁養護管理者提供指導意見，做到預測式、評估式橋梁維護管理。

六、結語

橋梁監測是及時獲知橋梁狀態的重要手段，監測系統設計應結合橋梁特點、經濟代價及使用需求開展。測點的合理布置既能準確敏感地感知結構狀態變化，也能實現效益最大化，是有效建立橋梁監測系統的基礎。此外數據采集的精確程度、硬件系統的耐久性能也是能否實現長期穩定監測目標的關鍵因素。通過實測數據分析，丹河特大橋主橋應變監測系統可以滿足大橋遠程、自動化的監測要求。監測系統穩定性，有待通過長期觀察與運行判斷，但仍可為同類型監測系統建設提供參考。