淺談健康監測系統在懸索橋預防性養護中的應用

楊云云

（甘肅省臨夏公路事業發展中心,甘肅 臨夏 731100）

0 引言

劉家峽大橋于2013 年12 月通車運營，該橋為單跨雙索面地錨式懸索橋，為當時西北地區最大跨度的懸索橋。從掌握的資料看，橋梁寬度在同規模橋梁中最窄，首次采用鋼管混凝土結構作為懸索橋橋塔，橋塔為當時世界上最大直徑的鋼管混凝土結構，重要性十分突出。為了更好地對該橋進行管養，在其上安裝了橋梁健康監測系統，對結構各項指標進行實時全方位的監測，使管理人員在控制室內就可了解現場已經發生和即將發生的重要事件，并能迅速采取果斷措施加以處理，有效提高綜合防范和安全管理能力。本文結合劉家峽大橋的實踐，對健康監測系統在懸索橋預防性養護中的應用進行分析總結。

1 橋梁概況

劉家峽大橋為單跨536m雙鉸簡支鋼桁梁雙索面懸索橋，建成于2013年。臨夏折橋側邊纜跨度148m，蘭州達川側邊纜跨度113m，兩邊跨均無吊索。主纜中心距為15.6m，吊桿標準間距為8m。錨碇為混凝土三角框架式。門式框架鋼管混凝土橋塔，基礎為18根直徑2m 的灌注樁，臨夏岸橋塔樁長35m，永靖岸塔樁長25m。主纜為PPWS，主纜每根44股，一股有127根直徑5.2mm 鍍鋅高強鋼絲，主纜外徑為42.93cm、43.46cm，由73 根直徑5.0mm鋼絲組成一束吊索。加勁梁為鋼桁梁，橋面為正交異性板，弦桿高4m，弦桿全寬16.105m。加勁梁在兩端各設置豎向支座2個，橫向抗風支座4個。橋面鋪裝采用3cm 厚環氧瀝青和3cm 厚瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。

2 結構健康監測的意義和必要性

公路橋梁在自然環境(大氣腐蝕、濕度及溫度變化等)、使用環境(荷載作用與頻率增加、材料與結構疲勞加劇等)和外部各種因素影響下，會慢慢產生缺陷和損壞，若持續發展會致使橋梁出現結構病害、行車隱患，嚴重影響橋梁的運營安全。近些年來，國內發生多起橋梁坍塌事件。為了保障橋梁運營安全，橋梁管理單位通常采用的技術手段是人工檢查，這種方式獲取的數據缺乏連續性和實時性，不易及時發現隱蔽病害，難以有效保障橋梁安全。據美國聯邦公路委員會調查分析發現，人工檢查的結果不恰當的有56%。如美國密西西比河大橋垮塌事件，垮塌前2年人工檢查并沒有發現結構性病害。這些嚴重的橋梁安全事故使人們認識到了人工檢測技術存在的不足和局限性，同時也認識到了橋梁結構健康監測的必要性和重要性。橋梁結構健康監測技術已在我國發展近30 年時間，逐步走向成熟，也對我們橋梁養護管理單位提供了科學決策的數據支撐，為橋梁安全運行發揮積極作用。

3 健康監測內容

根據《公路橋梁結構健康監測系統技術規程》(JT/T 1037-2016)相關規程，結合橋梁管養實際，劉家峽大橋橋梁健康監測實施內容包括結構變形、結構應力、結構溫度、索力、環境溫濕度、梁端位移、交通荷載、自振頻率等8 個模塊及人工檢查。現介紹健康監測內容中主要的7個方面。

3.1 橋梁結構變形模塊

橋梁結構是否變形是橋梁安全運行的最直觀的指標。如果結構發生變形，說明結構已經失去了應力平衡，橋梁可能會隨時傾覆。所以布設結構變形模塊對結構的變形進行監測、分析是非常必要的。

3.2 橋梁結構應力監測模塊

首先，橋梁設計時結構應力必須符合設計規范。其次，結構應力發生超限變化，必然影響結構材料的耐久性，材料性能變化必然引起結構失穩、應力集中等惡性變化，通過對結構應力持續監測可以提前判斷、分析結構的穩定性。所以布設結構應力模塊對結構應力進行監測、分析是非常必要的。

3.3 環境溫、濕度監測模塊

橋梁安全運行中環境影響是不可忽略的。溫度變化不僅對橋梁結構材料性能有所影響，還對健康監測數據采集元器件性能有所影響，所以有必要同步監測結構溫度。劉家峽大橋鋼構件較多，濕度對結構防腐影響較大，有必要對環境濕度進行監測，當濕度超出規定值時，啟用必要的除濕程序，改善環境濕度。

3.4 梁端位移監測模塊

劉家峽大橋為懸索橋，其剛度較小，在溫度、汽車制動力、風力、地震等作用下可能會產生超限的縱向水平位移，會嚴重影響橋梁安全運行。

3.5 索力監測模塊

劉家峽大橋作為懸索橋，其纜索系統是橋梁的重要組成部分，發揮著非常重要的作用。其中主纜為上部結構主要承重結構，負責將恒載和活載傳遞至錨碇和索塔，而吊索負責將加勁梁和橋面板以及通行的行人車輛荷載傳遞至主纜。纜索系統的破壞直接影響橋梁運營安全，所以有必要對主纜和吊索的索力進行監測。

3.6 自振頻率監測模塊

自振頻率直接影響橋梁結構的穩定性，與橋梁結構工作狀態息息相關，如橋梁自振頻率與受到的外界振動頻率一致，就會發生共振，會導致橋梁構件損壞，自振頻率將會發生變化，如果共振嚴重時可能影響橋梁的安全運行，所以有必要對自振頻率進行監測。

3.7 車輛荷載監測模塊

隨著經濟社會的高速發展，劉家峽大橋車流量陡增，伴隨著超限超載車輛長期作用，橋梁技術狀況急劇惡化、嚴重影響橋梁服役時間。并且近年來超載超限車輛通行致使橋梁損毀的案例也時常發生，所以布設車輛荷載監測模塊，實時監測結構應力變化并預警，配合電子抓拍系統對車輛信息進行收集，可與路政執法部門進行聯合治超，保護橋梁運行安全。

4 監測模塊的布設

4.1 橋梁應變和溫度監測

（1）加勁梁應變和溫度監測。在橋梁主跨加勁梁L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8 斷面處，分別安裝4支應變傳感器監測加勁梁應變及溫度變化情況，共安裝28支。

（2）橋塔應變及溫度監測。在每個橋塔根部斷面安裝應變傳感器，測量橋塔應力。傳感器在橫斷面布設在橫橋向和縱橋向兩個方向的4 個位置，共安裝16支。

（3）索股拉力監測。在每個錨室選取8 根索股，對索股索力進行監測。在每個索股的2 根拉桿上安裝應變傳感器，每個錨室安裝16支，共64支。

（4）橋面板動應變監測。在3 跨橋面板各布設12支應變傳感器，用于監測橋面板動應變，監測正交異性橋面板動應變指標。

全橋共計布設144支應變傳感器。

4.2 變形監測

（1）加勁梁撓度監測。在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面上游布設GNSS 測點，并在橋頭布設基準點，監測加勁梁空間變形。

（2）橋塔變形監測。在4個橋塔塔頂格柵處各布設1 個GNSS 測點，用于監測橋塔三維變形。在4 個塔頂各布設2個光纖光柵傾角計，監測縱橋向和橫橋向兩個方向的橋塔傾斜變化。

（3）伸縮縫位移監測。全橋共4 道伸縮縫，每道伸縮縫安裝2個拉線式位移計，監測橋梁伸縮縫位移。

（4）主纜變形監測。在本橋3 跨跨中上、下游主纜各布設一個GNSS測點，用于監測主纜變形。

全橋共布設18個GNSS測點、8支傾角計，8支拉線式位移計。

4.3 動力特性監測

（1）加勁梁動力特性。根據通用有限元軟件Midas Civil 振型計算結果，在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面處各布設1 支雙向或三向加速度傳感器，分別監測加勁梁橫向和豎向加速度。

（2）橋塔動力特性。在4個橋塔頂部各安裝1支雙向或三向加速度傳感器，分別監測橋塔縱橋向和橫橋向加速度。

（3）吊索索力監測。劉家峽大橋每幅索面65 根吊索，每一幅索面選擇其中13根吊索安裝加速度傳感器，用于測量吊索索力。

全橋共計布置37支加速度傳感器。

4.4 環境溫濕度監測

在4 個錨室內、4 個主索鞍鞍罩內以及加勁梁1/4、1/2、3/4 斷面橋面處安裝溫濕度計，監測環境溫度及濕度。溫濕度傳感器全橋共安裝11支。

4.5 風速風向監測

（1）塔頂風速風向：在4 個塔頂各安裝1 支風速風向儀，用于監測塔頂風速和風向；

（2）橋面風速風向：在跨中上下游橋面各安裝1 支風速風向儀，監測橋面風速風向。

全橋共安裝6支風速風向儀。

4.6 橋梁視頻監控

在兩側上游橋塔塔頂格柵、兩側橋頭以及加勁梁兩端，各安裝一臺高清球機，對橋梁運營狀況、監測系統運營狀況進行實時監控。全橋安裝6支。

4.7 橋梁動態稱重及電子抓拍

在蘭州岸散索鞍支墩處布設動態稱重及電子抓拍系統，對通行車輛特別是超載貨車進行實時不停車稱重及對公路載荷信息進行大數據分析和處理。在稱重傳感器前后25m 左右位置處安裝車牌抓拍攝像機和監控攝像機，不但可以對超載車輛進行有效的識別，還可以對現場情況進行24h監控。

當車輛經過稱重區域時，數據采集器采集并分析運輸車輛的軸重、車輛總重、車輛通過速度、車型、軸距、車輛是否通過等信息。

當被檢測車輛完全通過后，數據采集器將采集到的車輛初始信息傳輸至稱重儀表，稱重儀表通過計算輸出完整的車輛信息(包括軸重、車輛總重、軸型、軸間距、總軸距、軸數、車型、通過速度、通過加速度/減速度、通過時間、通過車道等)，然后，稱重儀表將車輛數據和車牌數據匹配打包后上傳給現場服務管理工控機。

5 安全預警及監測閾值

根據橋梁結構一段時間的運營狀況以及相關技術資料確定出針對該橋實際狀況的安全技術指標及其閾值。

5.1 安全預警級別

劉家峽大橋安全預警狀態分為綠、黃、橙、紅四級：

（1）結構響應綠色，結構安全狀態；

（2）結構響應黃色，結構出現異常；

（3）結構響應橙色，結構可能出現危險情況；

（4）結構響應紅色，表示結構處于危險狀態。

系統根據實時預警評估系統的評估結果，當判斷結構處于“安全”狀態，則繼續實時評估；當實時預警評估結果超過安全閾值時，判斷結構處于“不安全”狀態，系統會根據不同的預警級別發出相應的預警信號以及管制措施，并按照預警后觸發方式啟動安全評估系統對其橋梁結構的技術狀況進行全面的評估；當實時預警評估系統不能判斷結構安全與否，系統也會自動按照預警后觸發方式自動調用安全評估系統，對橋梁結構進行全面評估，進一步判斷結構是否處于“安全”狀態，若處于“不安全”狀態，則啟動報警系統。

5.2 預警措施

不同預警級別對應不同的預警措施，具體如下：

（1）黃色預警：記錄預警狀態，由養護單位技術人員到現場查看報警區域傳感器及結構是否存在異常，定期檢查時重點核查；

（2）橙色預警：養護單位及時上報運營管理單位，運營管理單位次日組織相關單位及技術人員到現場檢查，5日內出具橙色預警處治報告；

（3）紅色預警：養護單位及時上報運營管理單位，并派駐技術人員到現場查看，運營管理單位當日組織相關單位及技術人員到現場進行全橋檢查，必要時進行交通管制，次日提交紅色預警處治報告。

5.3 預警閾值設定

安全預警模塊通過建立局部測點閾值、參數類別閾值、整體工作閾值的多層次閾值體系實現，目的在于根據閾值預防結構損傷、防止突發破壞并為特殊災害下的管理措施提供依據。實時安全預警設黃色和紅色兩級，當超過閾值時自動報警，預警信息包括預警級別、報警傳感器編號和位置、報警的監測值和預警值。

6 結束語

綜上所述，采用橋梁結構健康監測系統監控橋梁的安全十分必要，也十分重要。從劉家峽大橋的實踐來看，橋梁結構健康監測系統在懸索橋預防性養護中發揮了應有的作用。未來，為全面、實時掌握大橋運營階段結構狀態的變化，有必要建立一套現代化的智能健康監測系統，建立一套數字化、信息化、智能化、科學有序的養護運營管理平臺，對大橋結構各種關鍵狀態參數、指標進行長期、適時、系統地監測，并對橋梁的技術狀況和承載能力作出評估，制定緊急狀況應急預案，在結構運營狀態嚴重異常時發出警告，為大橋管養維修決策提供更加具有針對性的參考和指導，更加合理配置管養資源，進一步降低大橋壽命期內養護維修成本，實現“全壽命周期內的監管養護”的目標。