飛云江大橋健康監測系統設計及預警閾值分析

李景玉，繆慶旭，桑曉玉，孫鐵元

(1.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司 溫州市 325000;2.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司 重慶市 400067)

0 引言

由于橋梁運營期內安全、正常使用的要求，從上個世紀末開始，橋梁結構健康監測便逐漸發展起來[1]。在一些建成的大跨度橋梁上安裝了各類的傳感器，進行各種數據的監測和紀錄，以此保障橋梁的安全運營[2-3]。目前，橋梁健康監測的積極作用已經得到了各界的廣泛認可，進行橋梁健康監測和結構評估也是政府部門推動下的必然發展趨勢[4]。采用科學、合理的監測手段和盡量經濟性的健康系統設計是橋梁監測業界的普遍共識[5]。橋梁健康監測系統運用了傳感器[6]、信號采集[7]、數據統計分析[8]等眾多理論，這是有效預防災難性事故、橋梁運營安全的重要保障[9]。

飛云江大橋是甬臺溫高速公路溫州甌海南白象至瑞安龍頭段的重要結構物之一，大橋跨越飛云江，在2002年7月建設完工。飛云江大橋主跨為44m+3×80m+44m五孔連續預應力混凝土變截面箱梁。為確保飛云江大橋的安全運營，通過結構分析，對其進行橋梁健康監測系統設計，并對監測項預警閾值進行設定。

1 有限元分析

1.1 模型建立

橋梁健康監測系統設計需要對橋梁在荷載作用下結構受力和變形有充分的了解。飛云江主橋結構為44m+3×80m+44m變截面連續梁橋，利用有限元分析軟件Midas/Civil對主橋上部結構進行模擬，結構單元選擇為梁單元，全橋一共離散為354個單元、355個節點，有限元模型如圖1所示。

圖1 主橋有限元模型圖

1.2 結構受力分析

為掌握橋梁運行階段受力狀態，并為監測項目及測點位置的確定提供依據，對飛云江大橋進行結構受力分析。考慮到不同荷載情況下橋梁結構受力變形的差異，對以下幾個荷載工況進行計算分析：工況1：恒載作用；工況2：恒載+汽車荷載作用；工況3：恒載+汽車荷載+溫度荷載作用。分析得到不同荷載工況下橋梁應力和變形情況。

根據不同荷載工況下的計算分析結果可知，恒載作用是飛云江大橋結構受力和變形的主要因素，汽車荷載和溫度荷載對結構受力變形也有較大影響。不同工況下結構變形趨勢有一定的相似性，三種荷載工況下結構第2跨～第4跨均有較大的向下豎向位移，最中間跨第3跨跨中截面位置在工況1～工況3作用下豎向位移分別為-20.2mm、-32.2mm、-50.9mm。全橋最大位移在第2跨、第4跨跨中截面位置，工況1～工況3作用下的最大位移分別為-27.6mm、-39.6mm、-64.4mm。由于多跨連續梁的結構特性，結構邊跨在全橋荷載作用下有向上的豎向位移，最大向上豎向位移在邊跨跨中位置，工況1～工況3作用下最大位移分別為16.8mm、19.4mm、35.7mm。不同工況下全橋各截面最大應力的變化有所差異，但最大應力截面位置都出現在邊跨跨中位置，工況3作用下邊跨跨中達到最大應力值14.7MPa。

徐變是在持續荷載作用下混凝土結構變形隨時間推移而增加的現象，徐變作用對混凝土橋梁結構的受力變形有著很大的影響。由于飛云江大橋已運行年限較久，考慮到其受混凝土收縮徐變的影響，利用有限元模擬成橋20年飛云江大橋運行情況。部分計算分析結果如圖2所示。由計算結果可知，收縮徐變作用對結構受力和變形有著很大的影響。在收縮徐變作用下，主梁豎向位移有著顯著的增大，中間三跨的豎向位移增大尤為明顯，第2～4跨跨中位移從橋梁建成初期的-57.1mm、-54.4mm、-56.8mm分別增大至-163.6mm、146.5mm、163.1mm，最大豎向位移變化為最初變形值的3倍左右。

圖2 徐變下主梁撓度

2 橋梁健康監測系統設計

2.1 監測項目及測點布設

根據結構受力變形分析結果易知，應對主梁豎向位移以及各跨跨中截面位置進行重點監測，然后考慮飛云江大橋運行狀態、橋型、環境因素，遵循經濟性原則，最終確定飛云江大橋健康監測系統的監測項目和測點位置。飛云江大橋健康監測系統監測項包括主梁應變、主梁豎向變形和溫濕度。各個監測項測點位置分布如圖3所示。各截面應變測點位置及序號編排如圖4所示。監測項測點數量與傳感器類型如表1所示。

圖3 測點位置分布圖

圖4 各截面應變測點位置及序號編排圖

表1 監測項目及測點數量

2.2 系統構成

飛云江大橋健康監測系統由六個子系統組成，分別是傳感子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與預警子系統、數據管理子系統、結構狀況評估子系統、用戶界面子系統。飛云江大橋健康監測系統構成如圖5所示。

圖5 飛云江大橋健康監測系統

2.2.1傳感子系統

傳感子系統是監測數據的基礎和來源，由各類傳感器和一些附屬設備構成。目前，國內外的生產廠家眾多，傳感器型號多樣，技術性能有很大差異。因此，在傳感器的選擇上必須遵循以下原則：

(1)可靠性。監測傳感器的精度、量程、靈敏度、頻率響應等技術指標符合國家標準和儀器系列型譜的相關要求。

(2)耐久性。選擇的傳感器需能夠在橋址復雜環境下長期穩定工作。

(3)經濟性。傳感器及其配套儀表具有高性價比和實用性。

(4)可更換性。橋梁的監測期很長，所安裝的傳感器都有可能面臨更換的問題，因此，傳感器必須能夠更換且滿足更換時監測數據的連續性。

2.2.2數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸子系統可以實現各個傳感器的數據采集，并將采集的數據信號通過有線或無線的方式傳輸到數據系統中，這是后續數據分析處理的基礎。數據采集與傳輸子系統主要包括現場設備、虛擬監控中心、網絡設備和相關軟件四個部分。這四個部分的設計與傳感子系統有很大的聯系，傳感器的輸出信號類型決定了采集模塊的類型，傳感器的布設位置決定了數據采集站的分布，從而進一步影響到采集與傳輸軟件的設計開發，詳見表2。

表2 傳感器信號分析及采集設備選擇

2.2.3數據處理與預警子系統

在橋梁健康監測系統的運行期內會采集大量的數據，隨著時間的累積，采集的數據量也是非常巨大的。數據處理與預警子系統由數據處理和預警兩個部分組成。數據處理部分主要是實現監測數據的預處理工作，對監測的大量數據進行整理、篩選，再進行統計分析、數據挖掘等。預警部分可以根據監測項目的閾值信息，對異常情況進行在線預警。

2.2.4數據管理子系統

數據管理子系統可以實現橋梁健康監測系統所有相關數據的歸檔、查詢、儲存。相關數據主要包括橋梁設計資料、橋梁施工資料、監測數據、結構預警評估數據等。數據管理子系統需達到以下技術目標：

(1)可以實現數據控制、篩選、二次處理。

(2)各類數據的儲存工具和場所與數據類型相匹配，具有與采集、預處理、后續處理要求適應的分布式數據儲存結構。

(3)支持部分特殊數據的單獨儲存功能。

(4)必須支持數據的備份和恢復。

2.2.5結構狀況評估子系統

結構狀況評估子系統是橋梁健康監測系統重要的組成部分，通過對橋梁結構監測數據的分析，確定橋梁的運營狀態，判斷橋梁是否在安全運營的范圍內，對于異常狀態和潛在問題存在時，提前告知橋梁相關管理養護人員，進行維修養護工作。結構狀態評估子系統要達到的基本目標如下：

(1)具有合理的結構評估方法和標準。

(2)能夠提供全面而又規范的定期評估報告。

(3)結構評估結果可以有效幫助到橋梁運營管理養護決策。

2.2.6用戶界面子系統

用戶界面子系統是實現各類人員與橋梁健康監測系統交互的平臺，見圖6。利用用戶界面子系統可以滿足用戶的各種需求，對監測數據等內容實時向用戶進行展示，并提供特定數據的輸入與輸出的功能。由于用戶界面子系統的功能目的，該系統具有穩定、美觀、操作簡單、精煉簡潔等特點。用戶界面子系統所實現的功能主要有以下幾個部分：

(1)根據用戶需求，向用戶提供操作和管理平臺賬號，使用戶能夠遠程查詢監測數據等內容。

(2)根據橋梁監測數據分析結果，生成橋梁評估結果和監測報告等文件。

圖6 用戶交互平臺

3 預警閾值分析

橋梁健康監測系統的預警閾值設定是橋梁健康監測系統設計的重要組成部分，各個監測項目預警閾值的設定是否合理對于監測系統的預警準確性有著很大的影響。不合理的預警閾值可能造成資源的浪費，甚至安全事故的發生。通過有限元模擬分析，并結合監測系統前期監測數據確定預警閾值，以此保證預警閾值的合理性。

3.1 有限元模擬

在本文第二章有限元模型的基礎上模擬溫度和汽車荷載作用，確定全橋應力和撓度變化情況。為確定最合理的預警閾值，盡可能模擬橋梁真實運營情況，溫度荷載根據當地氣象數據的極值確定，溫度荷載為整體升降溫15℃，梯度升溫為20℃、6.67℃，梯度降溫為-10℃、-3.35℃。汽車荷載以最大車道線進行布載，車輛荷載中均布荷載為10.5kN/m，集中荷載為360kN。有限元分析計算得到部分結果如圖7所示。

圖7 溫度和汽車荷載作用下主梁撓度

3.2 閾值設定

根據有限元分析計算結果和部分監測數據，對主梁豎向位移和應變兩個重點監測項進行閾值設定。由有限元模擬計算結果可以得到各個監測項測點在溫度和汽車荷載作用下的極差，計算分析得到的應變各測點和主梁豎向位移各測點極差結果。從飛云江大橋健康監測系統中提取2022年7月22日至2022年8月21日期間主梁豎向位移和應變監測項各個監測點的全部監測數據，并計算得到兩個監測項各個測點的變化極差如圖8、圖9所示，測點序號編排方式見表1。

圖8 應變監測數據

圖9 撓度監測數據

由計算結果和監測數據處理結果可知，應變監測項各測點計算極差和監測極差最大值分別是485με、115με，主梁豎向位移各測點計算極差和監測極差最大值分別是65.5mm、13.8mm。總體來說，各個測點有限元模擬計算結果遠大于實際監測數值，這種差異主要有兩方面的原因，最主要的原因是橋梁實際所受荷載是遠小于有限元模擬計算所施加的荷載，有限元模擬時所施加的荷載是按橋梁可能所受最大荷載施加；另外，由于橋梁實際運營年限較久，材料性能和部分結構的變化，這也使得有限元方法不能完全真實地模擬橋梁實際運營情況。為保證飛云江大橋運營期結構安全，需綜合考慮實際監測數據與有限元分析結果，對主梁豎向位移和應變設定預警閾值，參考《公路橋梁結構監測技術規范》(JT/T 1037—2022)和《建筑與橋梁結構監測技術規范》(GB 50982—2014)中報警閾值相關內容，分別基于實測數據和有限元模擬計算結果設定一級預警值和二級預警值，最終確定飛云江大橋健康監測系統各監測項兩級預警指標。部分關鍵測點預警閾值設定如表3、表4所示。

表3 各跨跨中撓度預警閾值

表4 第三跨跨中應變預警閾值

4 結語

進行橋梁健康監測是保障橋梁運營期結構安全和正常運營的重要措施，也是目前工程界普遍認為的發展趨勢。合理、科學、經濟的橋梁健康監測系統的設計對于結構監測的發展有著重要的意義。飛云江大橋健康監測系統的設計重點考慮了橋梁本身運營和結構特點，并遵循了科學、合理、經濟性等原則，其監測項預警閾值的設定也綜合考慮了結構分析結果和前期監測數據。目前，飛云江大橋健康監測系統已在穩定的運行當中，這對于飛云江大橋運營安全、結構狀態評估有著重要的意義。