城市高架橋健康監(jiān)測方案設(shè)計

蘇家仲，賈志絢，黃小芳

（太原科技大學交通與物流學院，太原030024）

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城市高架橋健康監(jiān)測方案設(shè)計

蘇家仲，賈志絢，黃小芳

（太原科技大學交通與物流學院，太原030024）

摘 要：高架橋作為解決交通擁堵的一個方法在城市道路橋梁建設(shè)中應用越來越多，其安全性已經(jīng)引起人們重視。而國內(nèi)專門針對城市高架橋的健康監(jiān)測研究還比較少，通過本方案以達到對城市高架橋健康監(jiān)測的作用。結(jié)合工程項目對高架橋結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測方案設(shè)計，首先對健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架進行了設(shè)計，具體分析了高架橋結(jié)構(gòu)特點及傳感器布設(shè)要求，對高架橋不同結(jié)構(gòu)進行傳感器布設(shè)，最后指出高架橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需要考慮的一些問題，對城市高架橋健康監(jiān)測做了初步探討。

關(guān)鍵詞：高架橋；健康監(jiān)測；總體設(shè)計；傳感器布設(shè)

橋梁作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性已經(jīng)引起人們的重視。橋梁在設(shè)計和施工中存在的一些不足，及其運營管理不當、水文地質(zhì)因素和自然災害等，是橋梁事故的主要原因［1］。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外學術(shù)界及工程界的研究熱點，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)也得到了快速的發(fā)展［2］。自20世紀80年代中后期以來，國外已有日本的明石海峽大橋、南備贊瀨戶橋、丹麥的大貝爾特橋等建立了較為完備的健康監(jiān)測系統(tǒng)［3］。我國從上世紀九十年代以來，陸續(xù)在許多橋梁上安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，如中國香港青馬大橋、江蘇江陰大橋［4-5］。縱觀國內(nèi)外的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究，其大多數(shù)都是針對懸索橋、斜拉橋等大型的跨海橋梁。我國城市化的快速發(fā)展，高架橋作為解決交通擁堵、實現(xiàn)城市快速交通的一個有效方法，越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中。面對大規(guī)模的城市高架橋梁，其安全性如何得到保證是一個重要的議題，所以對城市高架橋進行健康監(jiān)測是必要的。而國內(nèi)專門針對城市高架橋的健康監(jiān)測研究還比較少。因此，對城市高架橋開展健康監(jiān)測研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

太原市西中環(huán)北段工程范圍內(nèi)的橋梁工程為西中環(huán)-興華街立交、西中環(huán)北段高架、西中環(huán)-南內(nèi)環(huán)西街立交。主要跨越路口有興華街、漪汾街、西礦街、迎澤西大街、西花苑街及南內(nèi)環(huán)西街?？缭降蔫F路為太重支線及西山鐵路支線。主要橋梁工程匯總?cè)绫?所示。

以上橋梁均采用標準橋?qū)?3.5 m，設(shè)計速度60 km/ h，橋梁設(shè)計基準期：100年。上部結(jié)構(gòu)：高架橋主線段采用預應力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)標準梁；下部結(jié)構(gòu)：高架橋主線采用帶橫梁雙立柱橋墩立柱形式，立柱矩形斷面帶圓角，主線標準段基礎(chǔ)采用6Φ1.5 m鉆孔灌注樁，鋼筋混凝土承臺。橋臺為鋼筋混凝土橋臺，采用6Φ1.2 m鉆孔灌注樁。

結(jié)合項目的實際情況，為了保證高架橋梁在施工及運營過程中的安全，實時掌握高架橋梁的受力情況及周邊環(huán)境對其產(chǎn)生的影響，故選取有代表性的高架橋聯(lián)跨對其進行健康監(jiān)測方案設(shè)計。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實際功能要求，將全系統(tǒng)分為六大子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)設(shè)計要求：

（1）傳感器子系統(tǒng)。在需要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)布設(shè)特定類型及定量的傳感器，通過傳感技術(shù)獲取應力、應變、位移、溫濕度等反映橋梁健康狀態(tài)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)。該部分主要功能是采集傳感器輸出的數(shù)據(jù)，同時把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，并把數(shù)據(jù)存儲起來。硬件部分比較重要的有傳輸電纜、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)據(jù)采集器等。軟件部分主要是將采集到的數(shù)字信號以特定的方式存儲在計算機中。

（3）數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)。該部分包括對數(shù)字信號進行分析及處理，其功能主要是從傳感器接收到到的海量數(shù)據(jù)中獲取有用的數(shù)據(jù)從而為橋梁的結(jié)構(gòu)健康評估提供依據(jù)。該過程一般制定有相應軟件程序，在進行數(shù)據(jù)采集時同步完成。

（4）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)。該部分主要有兩部分功能：損傷識別和狀態(tài)評估。此子系統(tǒng)根據(jù)實時在線監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息，按照計算機程序設(shè)定的各監(jiān)測數(shù)據(jù)的限值，能夠快速、科學準確、客觀真實地根據(jù)當前和歷史數(shù)據(jù)對橋梁健康進行綜合性評估，并自動輸出橋梁狀態(tài)報告，為橋梁結(jié)構(gòu)的運營、養(yǎng)護及管理提供可信的決策依據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)［6］。該子系統(tǒng)的主要功能是對各種分析處理后的數(shù)據(jù)建立專門的數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理。其中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括橋梁結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫（橋梁設(shè)計資料、施工資料、試驗資料等）、靜動力響應數(shù)據(jù)庫、損傷識別數(shù)據(jù)庫、養(yǎng)護維修數(shù)據(jù)庫等。橋梁管理者可以隨時通過實時的監(jiān)控數(shù)據(jù)對橋梁的健康狀況作出判斷，以保證橋梁24 h的運營安全。同時通過數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)共享，橋梁管理者可以與相關(guān)主管部門隨時對橋梁的運營安全狀況提出有益的養(yǎng)護決策。

表1 太原市西中環(huán)主要橋梁工程匯總表Tab.1 Summary of main bridge engineering in Taiyuan West Central

（6）用戶界面子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)為健康監(jiān)測系統(tǒng)與人產(chǎn)生最直接聯(lián)系的部分，通過人機交互界面，系統(tǒng)將實時接收到的數(shù)據(jù)提供給橋梁養(yǎng)護及管理人員。同時該子系統(tǒng)的操作管理這并不需要特別專業(yè)的知識，就可以使用該系統(tǒng)進行任意時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)的調(diào)閱，對監(jiān)測預警數(shù)值進行調(diào)整及輸出橋梁健康狀況的分析報告等。

3 高架橋結(jié)構(gòu)特點及傳感器布設(shè)

3.1 高架橋結(jié)構(gòu)特點

（1）簡支箱梁受力簡單，荷載作用在定量的截面面積下會產(chǎn)生較大的抗彎慣距和抗扭剛度，在偏心荷載作用下，各部分梁肋的受力相對較均勻。

（2）連續(xù)梁橋按截面形式可分為等高度連續(xù)梁與變高度連續(xù)梁。在荷載作用下，變高度連續(xù)梁中支點截面處會產(chǎn)生相對較大負彎矩，同時在跨中截面出現(xiàn)相對較小的正彎矩。中間支點截面位置處產(chǎn)生的負彎矩則遠大于跨中彎矩絕對值，根據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，故選取變高度梁比較適合。對于預應力混凝土連續(xù)梁，其受力主要有以下一些特點：墩高的逐漸增加，連續(xù)剛構(gòu)的墩頂及跨中梁部彎矩值逐漸接近于連續(xù)梁，墩的軸向力及墩底彎矩值隨著墩高的增加，而兩墩之間的梁部受到的軸向力同樣隨著墩高的增加而呈現(xiàn)快速下降的趨勢［7］。

（3）連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特點與連續(xù)梁相仿，薄壁墩底承受的彎矩和梁內(nèi)軸力會呈現(xiàn)墩高的逐漸增加而快速下降的趨勢。對于跨徑較大、墩高較小連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁在外界溫度影響，混凝土徐變等因素影響下將在墩頂會有相對較大水平位移［8］。

3.2 傳感器布設(shè)要求

在對高架橋進行受力特點分析后，結(jié)合對橋梁結(jié)構(gòu)受力特點、橋梁各部結(jié)構(gòu)重要性以及傳感器布設(shè)有效性、經(jīng)濟性等多個方面的因素研究分析，展開對高架橋進行傳感器布設(shè)。

在偏心荷載作用下，簡支梁各部分梁肋的受力相對較均勻，對其傳感器優(yōu)化布設(shè)方案為均勻布設(shè)，具體布設(shè)位置多數(shù)應為橋梁結(jié)構(gòu)應力及位移振幅峰值點。

結(jié)合連續(xù)梁橋受力特點，對其傳感器優(yōu)化布設(shè)方案同樣為為均勻布設(shè)，具體布設(shè)位置多數(shù)應為橋梁結(jié)構(gòu)應力及位移振幅峰值點。

4 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計的主要內(nèi)容

4.1 確定監(jiān)測對象

由于本工程段跨線較多，設(shè)計中采用了多種梁體，故根據(jù)實際情況兼顧經(jīng)濟性，選取有代表性的部分高架橋進行健康監(jiān)測。具體選取對象如下：變高度預應力混凝土連續(xù)梁（35 +50 +35 m）1聯(lián)、等高度預應力混凝土連續(xù)梁（3×30 m）3聯(lián)、預制簡支小箱梁（30 m、40 m）2聯(lián)、鋼筋混凝土連續(xù)梁（20 +21 +21 m）1聯(lián)、墩柱10個、鉆孔灌注樁2根。以上所選取監(jiān)測對象基本覆蓋了本工程不同類型的梁。

4.2 確定監(jiān)測項目

（1）幾何監(jiān)測。主要是監(jiān)測高架橋結(jié)構(gòu)重要部位在靜態(tài)情況下的位移及位置。

（2）環(huán)境監(jiān)測（溫濕度）。主要是監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)周邊的環(huán)境變化，為后面進一步對高架橋結(jié)構(gòu)的耐久性評估積累可靠及足量的數(shù)據(jù)。

（3）結(jié)構(gòu)靜、動力反應監(jiān)測。主要是監(jiān)測高架橋結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的力學性能，為高架橋結(jié)構(gòu)可靠性評估提供數(shù)據(jù)。

4.3 傳感器測點布設(shè)

各個結(jié)構(gòu)的測點，需要結(jié)合監(jiān)測的目的及兼顧實際情況確定，故選取具有代表性的斷面進行測點布設(shè)。

根據(jù)高架橋不同的結(jié)構(gòu)形式及其需要監(jiān)測的項目，確定具有代表性的斷面測點布設(shè)如下：

（1）等高度預應力混凝土連續(xù)梁

應力測點：測試斷面（主墩墩頂、中跨跨中及邊跨跨中各1個），測點數(shù)量：各測試斷面布設(shè)10個橫向應力測點及12個縱向應力測點。

變形測點：測試截面（連續(xù)2跨中跨跨中、邊跨跨中各1個），測點數(shù)量：每個截面在橋面左側(cè)布設(shè)1個變形測點，在橋面右側(cè)布設(shè)一個變形測點。

溫濕度測點：測試斷面（中跨跨中），測點數(shù)量：左右側(cè)對稱各布置9個溫濕度測點，如圖1所示。

圖1 預應力混凝土連續(xù)梁測點布設(shè)Fig.1 Measuring point location of continuous beam with prestressed concrete

（2）變高度預應力混凝土連續(xù)梁

應力測點：測試斷面（主墩墩頂、中跨跨中及邊跨跨中各布設(shè)1個），測點數(shù)量：各測試斷面布設(shè)10個橫向應力測點和12個縱向應力測點。

變形測點：測試截面（主跨跨中），測點數(shù)量：每個截面在橋面左側(cè)布設(shè)1個變形測點，在橋面右側(cè)布設(shè)一個變形測點。

溫濕度測點：測試斷面（中跨跨中），測點數(shù)量：左右側(cè)對稱各布置9個溫濕度測點，如圖1所示。

（3）預制簡支小箱梁

應力測點：測試斷面（中跨跨中及中跨墩頂各布設(shè)1個），測點數(shù)量：每個斷面對稱布置共布置14個橫向應力測點和16個縱向應力測點。

變形測點：測試截面（連續(xù)2跨中跨跨中和邊跨跨中各布設(shè)1個），測點數(shù)量：每個截面在橋面左側(cè)布設(shè)1個變形測點，在橋面右側(cè)布設(shè)一個變形測點。

溫濕度測點：測試斷面（中跨跨中），測點數(shù)量：左右側(cè)對稱各布置8個溫濕度測點，如圖2所示。

圖2 預制簡支小箱梁測點布設(shè)Fig.2 Measuring point location of small-box girder with prefabricated simple supporting

（4）鋼筋混凝土連續(xù)梁

應力測點：測試截面（邊跨的跨中、中墩頂各布設(shè)1個），測點數(shù)量：每個截面各對稱布設(shè)共10個縱向應力測點。

變形測點：觀測截面（邊跨的跨中中墩頂各布設(shè)1個），測點數(shù)量：每個截面在橋面左側(cè)布設(shè)1個變形測點，在橋面右側(cè)布設(shè)一個變形測點。

溫濕度測點：測試斷面（跨中1個），測點數(shù)量：總布設(shè)10個溫濕度測點。

（5）墩柱

應力測點：測試截面（橋墩的底部、中部各1個），測點數(shù)量：墩柱最底部布設(shè)6個測點，墩柱中部布設(shè)4個測點，如圖3所示。

（6）鉆孔灌注樁

選取主線6根標準鉆孔灌注樁，在不同深度的樁身布設(shè)鋼筋計，同時在樁底布設(shè)壓力盒對樁身實施長期監(jiān)測，根據(jù)樁體在不同土層的受力情況不同，在不同土層分層位置對應的樁體截面位置對稱布置振弦式鋼筋計2個，光纖式鋼筋計2個，在樁最低位置對稱布置鋼弦式壓力盒4個。

圖3 墩柱測點布設(shè)Fig.3 Measuring point location of pier column

圖4 鉆孔灌注樁測點布設(shè)Fig.4 Measuring point location of bored pile

5 結(jié)論

結(jié)合高架橋梁的特點及具體結(jié)構(gòu)形式，介紹了高架橋梁健康監(jiān)測傳感器的布設(shè)要求、監(jiān)測項目內(nèi)容、組成和功能，針對太原市西中環(huán)高架橋梁給出了健康監(jiān)測的總體設(shè)計及各結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)科學方案，具體對變高度預應力混凝土連續(xù)梁、等高度預應力混凝土連續(xù)梁、預制簡支小箱梁、鋼筋混凝土連續(xù)梁、墩柱、鉆孔灌注樁進行了傳感器布設(shè)，對城市高架橋梁的健康監(jiān)測傳感器布設(shè)方案做了初步的探討，對城市高架橋梁健康監(jiān)測傳感器布設(shè)具有一定的參考作用。

高架橋梁健康監(jiān)測方案的設(shè)計與實施需要兼顧經(jīng)濟性、實用性、施工管理等多方面需求，需要結(jié)合特定的橋梁進行多方面的分析與論證才能確保健康監(jiān)測方案的高效實施。

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Scheme Design of Health Monitoring for City Viaduct

SU Jia-zhong，JIA Zhi-xuan，HUANG Xiao-fang
（College of Transportation and Logistics，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：The viaduct as a way to solve traffic congestion is more and more applied in urban road and bridge construction，its security has attracted people′s attention.And the domestic research on the urban viaduct health monitoring is still relatively small，this project aims to achieve the role of urban viaduct health monitoring.Combined with engineering project for health monitoring program design of the viaduct structure.Firstly，the overall framework of health monitoring system was designed，the characteristics of viaduct structure and the requirements of sensor layout were elaborated，and the sensor layout of different structures of the viaduct was accomplished，concluded that the problem of some shortcomings exist viaduct and to be considered.At last，some problems that need to be considered in structural health monitoring of viaduct structure are pointed out，and preliminary discussion on health monitoring of urban viaduct was done.

Key words：viaduct，health monitoring，overall design，sensor layout

中圖分類號：U446.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.013

文章編號：1673 -2057（2016）03 -0229 -05

收稿日期：2015-07-13

作者簡介：蘇家仲（1989 -），男，碩士研究生，主要研究方向為橋梁健康監(jiān)測。