大跨度斜拉橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁方文，朱浩，鄭建新

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

大跨度斜拉橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁方文，朱浩，鄭建新

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

依托沌口長江公路大橋主橋，在總結(jié)分析以往橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，將橋梁施工監(jiān)控及運(yùn)營期健康監(jiān)測在硬件（傳感器類型及布置）、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)方面進(jìn)行融合，形成沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了施工監(jiān)控及運(yùn)營監(jiān)測，從頂層進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大節(jié)約了成本；運(yùn)營的基準(zhǔn)狀態(tài)不再以設(shè)計(jì)成橋?yàn)榛A(chǔ)，直接以施工最終狀態(tài)為起始條件，能夠顯著地提高系統(tǒng)安全評(píng)估的精度。沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。

大跨度斜拉橋；全壽命；安全監(jiān)測

大跨度橋梁設(shè)計(jì)使用年限為100 a，投資規(guī)模宏大，橋梁建成后隨著投入運(yùn)營時(shí)間的推移，大橋各構(gòu)件將面臨受到各種損傷及內(nèi)力狀態(tài)的改變，相應(yīng)橋梁的剛度和承載能力就會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，這些變化如果能夠被預(yù)先獲知并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、維護(hù)、維修就不會(huì)危及橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，否則將可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。

建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)目的是避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，實(shí)時(shí)掌控使用狀態(tài)，輔助管養(yǎng)維護(hù)[1-2]。

1 橋梁健康監(jiān)測發(fā)展概述

橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展主要分為3個(gè)階段，20世紀(jì)80—90年代末期主要是即傳感技術(shù)（智能材料+智能傳感器）和探索性工程應(yīng)用；90年代—21世紀(jì)初為高性能傳感器應(yīng)用結(jié)合的傳輸技術(shù)及示范性工程應(yīng)用；目前階段的主流趨勢為高性能智能化傳感測試系統(tǒng)與電子化人工巡檢相結(jié)合。

國內(nèi)外橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)均是運(yùn)營期的健康監(jiān)測，施工監(jiān)控和健康監(jiān)測由不同單位分別建立獨(dú)立系統(tǒng)完成，橋梁狀態(tài)信息缺乏延續(xù)性且不經(jīng)濟(jì)。

2 工程概述

沌口長江公路大橋及接線工程，連接武漢市四環(huán)線西、南段，是四環(huán)線的重要組成部分和跨越長江的關(guān)鍵性控制工程之一，沌口長江公路大橋主橋?qū)?6 m（含風(fēng)嘴），為五跨一聯(lián)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋?？鐝讲贾脼椋?00+275+760+275+ 100）m，全長1 510 m，為半漂浮體系斜拉橋，主塔采用A形索塔，主梁為PK斷面鋼箱梁，采用1 860 MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共240根斜拉索。橋形布置及標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

3 全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

針對(duì)橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)處理方面的共性，提出了“橋梁全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)”理念，其中心任務(wù)是確保結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命期的安全。

將施工監(jiān)控和健康監(jiān)測在硬件、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行了融合，實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接；運(yùn)營的基準(zhǔn)狀態(tài)不再以設(shè)計(jì)成橋?yàn)榛A(chǔ)，直接以施工最終狀態(tài)為起始條件；安全信息通過傳感器監(jiān)測信息及人工巡檢、施工監(jiān)控綜合獲得，預(yù)測危險(xiǎn)狀態(tài)主動(dòng)養(yǎng)護(hù)。

3.2 硬件的融合

施工監(jiān)控系統(tǒng)一般包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)監(jiān)控、幾何形態(tài)監(jiān)控、應(yīng)力監(jiān)控、索力監(jiān)控、溫度監(jiān)控等幾個(gè)方面，其涉及的硬件設(shè)備包括全站儀、水準(zhǔn)儀、應(yīng)變傳感器、索力傳感器、溫度傳感器等。健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括環(huán)境監(jiān)測、整體性態(tài)監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、索力監(jiān)測、振動(dòng)監(jiān)測等，其涉及的硬件設(shè)備包括 GPS、撓度傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、索力傳感器、加速度傳感器、風(fēng)速儀等。因此，進(jìn)行橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)的硬件融合，可將二者監(jiān)控（測）內(nèi)容、測試手段相同的項(xiàng)目進(jìn)行合理融合，使監(jiān)控系統(tǒng)的硬件可以監(jiān)測系統(tǒng)所用。以沌口大橋?yàn)橐劳?，在施工監(jiān)控與健康監(jiān)測2個(gè)階段，可進(jìn)行硬件融合的設(shè)備有應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、索力傳感器等。

3.3 軟件的融合

橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)與健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)包括采集軟件與系統(tǒng)軟件2部分。在采集軟件方面，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬件融合的監(jiān)控（測）項(xiàng)目，其相應(yīng)的采集軟件可以滿足施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的需求，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)采集軟件的融合。在系統(tǒng)軟件方面，由于施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的目標(biāo)不同，系統(tǒng)軟件在功能需求上存在差異。在進(jìn)行 2個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)二者的系統(tǒng)軟件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的融合。

3.4 傳輸方式及數(shù)據(jù)的融合

目前，傳輸方式總的來說分為有線傳輸和無線傳輸2種。由于有線傳輸方式受施工、運(yùn)營條件轉(zhuǎn)換的限制，實(shí)現(xiàn)二者的融合具有相當(dāng)?shù)碾y度。隨著無線傳感器及無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，采用無線傳輸方案實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，是實(shí)現(xiàn)橋梁施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)傳輸方式融合的有效解決手段。

由于受現(xiàn)場條件、環(huán)境因素、施工誤差等不可預(yù)知的因素，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形在施工過程中是一個(gè)累積的過程，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)不可能與設(shè)計(jì)完全一致，采用設(shè)計(jì)的成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測狀態(tài)評(píng)估的初始狀態(tài)是不合理的。橋梁施工監(jiān)控貫穿于橋梁的整個(gè)建設(shè)過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息量，在剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)后能很好地反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。施工監(jiān)控與健康監(jiān)測融合見圖2。

4 沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)

針對(duì)沌口大橋主橋跨度大，橋面寬，剪力滯效應(yīng)明顯，重車多，橋面易破壞，鋼箱梁頂板易出現(xiàn)疲勞問題等特點(diǎn)，結(jié)合全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)理念進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是由自動(dòng)化傳感測試子系統(tǒng)（包括傳感器模塊、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊）、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、電子化人工巡檢子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)5大子系統(tǒng)構(gòu)成，見圖3。

4.2 自動(dòng)化傳感測試子系統(tǒng)

通過結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析，把握結(jié)構(gòu)監(jiān)測重點(diǎn)，確定監(jiān)測的內(nèi)容和精度要求，為測點(diǎn)布置和優(yōu)化提供依據(jù)，同時(shí)針對(duì)施工監(jiān)控和健康監(jiān)測進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。主要從環(huán)境與荷載、位移、應(yīng)力與索力、動(dòng)力特性與振動(dòng)響應(yīng)四個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測，主要包括風(fēng)力/風(fēng)向、環(huán)境溫度、塔頂變位、撓度、關(guān)鍵控制截面的應(yīng)變、關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測（橋梁固有特性、橋塔撞擊監(jiān)控、振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)控）、索結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、交通流監(jiān)測等。結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力測點(diǎn)見圖4。

撓度布置在邊跨各跨跨中、次邊跨四分點(diǎn)處、次邊跨跨中、主跨十六分點(diǎn)和索塔處各布設(shè)1個(gè)撓度測點(diǎn)；為監(jiān)測主梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在主跨及邊跨跨中上、下游側(cè)布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，全橋共30個(gè)測點(diǎn)，見表1。

數(shù)據(jù)采集與傳輸方面，采用分布式測控技術(shù)，每個(gè)傳感器均與智能調(diào)理器相連接，將傳感器模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的以太網(wǎng)信號(hào)。橋塔下橫梁處設(shè)置橋位采集站，全橋共設(shè)置21個(gè)采集分站。系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖見圖5。

4.3 狀態(tài)的評(píng)估設(shè)計(jì)

安全評(píng)估以“前期重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)易損件，中后期重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)整體性能兼顧結(jié)構(gòu)易損件”為總體原則，建立了一套以監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析為基礎(chǔ)，變權(quán)綜合層次分析法為核心的較成熟的評(píng)估方法和思路。主要針對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、異常狀態(tài)識(shí)別、性能發(fā)展趨勢預(yù)測和整體結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析。主要分析方法包括：模型對(duì)比法、統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估法、基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的評(píng)估方法、疲勞分析評(píng)估、綜合層次分析法。損傷評(píng)估基于自動(dòng)化監(jiān)測和電子化人工巡檢，總體評(píng)估技術(shù)方案見圖6所示。基于監(jiān)測系統(tǒng)的損傷識(shí)別是在基準(zhǔn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上采用模型對(duì)比法進(jìn)行的，基于模型對(duì)比法可進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損件的損傷識(shí)別及結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的損傷識(shí)別[3-9]。

5 結(jié)語

1）沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)將施工監(jiān)控、運(yùn)營健康監(jiān)測在軟件、硬件、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行融合，進(jìn)而進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)。從而節(jié)約了資源，更加系統(tǒng)化。

2）該系統(tǒng)將整個(gè)健康監(jiān)測的時(shí)域從原來的運(yùn)營期擴(kuò)充到了橋梁的全壽命期，而橋梁的施工期間安全信息被證明對(duì)運(yùn)營安全有巨大的影響，以成橋最終狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，能夠獲得橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。因此，這種作法能夠顯著地提高系統(tǒng)安全評(píng)估的精度。

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Whole life safety monitoring system design of long-span cable-stayed bridge

WENG Fang-wen,ZHU Hao,ZHENG Jian-xin
（CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology, Ministry of Communications,Wuhan,Hubei 430040,China）

Relying on the main bridge of Zhuankou Changjiang River Highway Bridge and on the basis of analyzing the previous bridge health monitoring technology,we fused the construction monitoring and the health monitoring in hardware (sensor types and layout),software,transmission mode and data to make the whole life safety monitoring system of the bridge. This system combines the monitoring of construction and operation,from the top to carry on the design,greatly save the cost. This reference state of the operation is no longer based on the design of the bridge,directly to the final state of construction condition,can significantly improve the precision of the system safety assessment.The whole life safety monitoring system has certain guiding significance to the similar projects.

long-span cable-stayed bridge;whole life;safety monitoring

U445.57

A

2095-7874（2017）03-0048-05

10.7640/zggwjs201703010

2016-10-09

2016-12-01

中國交建科技研發(fā)項(xiàng)目（2012-ZJKJ-16）

翁方文（1985— ），男，湖北武漢市人，碩士研究生，工程師，主要從事橋梁施工監(jiān)控及健康監(jiān)測工作。E-mail：wengfangwen@163.com