橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在萬州大橋的應(yīng)用

鄔富文

摘 要：城市橋梁與人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，必須對(duì)橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，文章將通過對(duì)橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在萬州大橋的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步闡述對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的重要性，以供參考。

關(guān)鍵詞：城市橋梁；變形；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；運(yùn)營(yíng)；安全

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0129-02

Abstract： The municipal bridge is closely related to people's life and property safety. So it is necessary to monitor the operation of the bridge. This paper will use the automatic monitoring system of bridge health in Wanzhou Bridge. The importance of automatic monitoring of bridge structure is further expounded for reference.

Keywords： municipal bridge； deformation； health monitoring system； operation； safety

1 概述

面對(duì)日益多樣增加的運(yùn)輸任務(wù)和復(fù)雜多變自然環(huán)境，橋梁及其構(gòu)造物損毀和局部損傷頻發(fā)。因此，城市橋梁管養(yǎng)單位有必要采用安裝橋梁健康自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法，對(duì)橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害并采取補(bǔ)救措施，保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)城市橋梁管養(yǎng)水平的提高。

2 橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺(tái)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與人工定期檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁在未來運(yùn)營(yíng)過程中健康狀況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警橋梁潛在的危險(xiǎn)，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)、管理和養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁和用戶的具體需求，可依據(jù)實(shí)際情況制定適宜的監(jiān)測(cè)方案。

橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能有：（1）具備橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理分析及綜合預(yù)警等功能，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。（2）具備基礎(chǔ)資料管理、監(jiān)測(cè)內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示、圖形報(bào)表、數(shù)據(jù)備份、掉電保護(hù)、自診斷及故障顯示功能。（3）惡劣天氣下連續(xù)監(jiān)控，在暴雨、冰雹、洪澇等惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)可連續(xù)工作，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，做到惡劣環(huán)境下橋梁的有效監(jiān)控。（4）通過橋梁運(yùn)行期的定量安全評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性趨勢(shì)分析。（5）分級(jí)、多重預(yù)警。當(dāng)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常信息時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警；報(bào)警信息通過短信模塊、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)等多種方式將信息及時(shí)傳達(dá)給相關(guān)權(quán)限管理人員，提示后臺(tái)人員及時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估。（6）應(yīng)急預(yù)案處理建議。系統(tǒng)可以在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)險(xiǎn)情后給出應(yīng)急預(yù)案建議，通過專家?guī)煜到y(tǒng)，及時(shí)采取人員介入、封路分流、維修加固等應(yīng)急處理方案，降低事故發(fā)生的可能性。

重慶市萬州區(qū)萬州大橋采用了招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司自主研發(fā)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體架構(gòu)以云計(jì)算為基礎(chǔ)，無需用戶構(gòu)建監(jiān)控中心，無需購(gòu)買物理服務(wù)器，成本較低，且具有非常高的靈活性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在萬州大橋的應(yīng)用

3.1 萬州大橋的現(xiàn)狀

重慶市萬州區(qū)萬州大橋是連接萬州磨刀梁與螞蝗坪的城市橋梁，跨越苧溪河，建成于2001年4月28日，建成后中央高程為220m，橋面全寬為凈15m（行車道）+2×2.5m（人行道）。主孔為3孔120m帶兩邊跨75.40m的鋼管混凝土組合桁架連續(xù)剛構(gòu)，引孔為25m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面連續(xù)?？卓绮贾脧哪サ读喊兜轿浕绕喊稙?×25m簡(jiǎn)支空心板+75.4+3×120+75.4m連續(xù)剛構(gòu)+3×25m簡(jiǎn)支空心板，全橋長(zhǎng)709.8m。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：汽-超20，掛車-120級(jí)，人群荷載3.5kN/m2。

萬州大橋定期結(jié)構(gòu)檢測(cè)報(bào)告表明，4#、9#端橫梁混凝土上存在多條豎向、橫向和斜向裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.9mm，并存在支座上鋼板滑移、傾斜等多種病害。另外，橋梁管養(yǎng)單位在日常巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)在車輛荷載作用下，萬州大橋主梁左右撓度變化不一致。因此，有必要對(duì)萬州大橋采用橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證橋梁運(yùn)行安全，并為今后同類橋梁的設(shè)計(jì)、管養(yǎng)提供參考數(shù)據(jù)。

3.2 萬州大橋結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

萬州大橋主跨為鋼管混凝土組合桁架連續(xù)剛構(gòu)，由桁架桿件組成，盡管整體上看鋼桁架橋以受彎和受剪為主，但具體到每根桁架桿件則主要承受軸向力。與實(shí)腹梁相比，用稀疏的腹桿代替整體的腹板，從而節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重，又由于腹桿鋼材用量比實(shí)腹梁的腹板有所減少，鋼桁梁可做成較大高度，具有較大的剛度及更大的跨越能力。此類橋梁的常見結(jié)構(gòu)病害為桁架桿件損壞，尤其是隨著交通量的增大，桿件損傷將進(jìn)一步加劇。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位采用三維有限元分析軟件Midas Civil 2015建立整體空間有限元模型，共有節(jié)點(diǎn)1780個(gè)，單元4784個(gè)，通過模擬計(jì)算得出結(jié)論：在溫度荷載+活載作用下，第5跨跨中豎向位移值達(dá)85.2mm；若橋梁結(jié)構(gòu)存在失效支座，在車輛荷載作用下，結(jié)構(gòu)兩側(cè)撓度會(huì)明顯不一致，而且支座失效對(duì)相鄰橋跨撓度影響較大，隨著距離增大，支座失效對(duì)主梁撓度的影響逐漸減弱，且支座失效對(duì)跨中兩側(cè)撓度不一致的影響遠(yuǎn)大于單根桿件失效對(duì)跨中撓度的影響。

結(jié)合萬州大橋的當(dāng)前病害情況，自動(dòng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和位置選取見圖1。

另外，在萬州大橋磨刀梁側(cè)橋頭安裝的超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和4#9#端橫梁上安裝的裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一并納入該系統(tǒng)，共同組成萬州大橋橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。endprint

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶界面

用戶界面子系統(tǒng)是運(yùn)營(yíng)橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端窗口，是橋梁管理和維護(hù)人員了解、查詢橋梁結(jié)構(gòu)各種監(jiān)測(cè)信息的交互式平臺(tái)。完整的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但需要面對(duì)專業(yè)技術(shù)人員和管理人員，也必須面對(duì)其他用戶，例如政府職能管理部門等，用戶界面系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮用戶的各種需求。在監(jiān)控中心，專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)能很方便的對(duì)大橋各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)查看和處理；此外，一般橋梁管理人員、業(yè)主、專家和政府監(jiān)管部門等其他人員在不同時(shí)間、地點(diǎn)都能查閱到橋梁的相關(guān)監(jiān)測(cè)信息。

針對(duì)不同的用戶使用要求，結(jié)合最新的云平臺(tái)技術(shù)，萬州大橋用戶界面系統(tǒng)綜合B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，采用位于監(jiān)控中心的服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端完成各種功能。用戶界面子系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立木塊組成，即Web門戶網(wǎng)站子系統(tǒng)和離線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)。

Web門戶網(wǎng)站采用B/S架構(gòu)，結(jié)合GIS技術(shù)設(shè)計(jì)，主要展示用戶管轄橋梁的詳細(xì)信息、測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、最近一段時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。

離線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)相較于Web門戶網(wǎng)站，該平臺(tái)提供了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)展示能力，主要包含以下功能：查看橋梁的先關(guān)信息及傳感器數(shù)據(jù)，并結(jié)合橋梁三維模型實(shí)時(shí)顯示最新采集到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警；提供傳感器歷史數(shù)據(jù)的查看，以波動(dòng)曲線的方式呈現(xiàn)給用戶；查看橋梁的定期、日常檢查報(bào)告；根據(jù)檢測(cè)報(bào)告和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為用戶生成安全評(píng)估結(jié)果。其中各類數(shù)據(jù)分析和安全評(píng)估功能，是通過調(diào)用相應(yīng)的后臺(tái)程序完成，這里僅提供交互、發(fā)布和顯示功能。

橋梁管養(yǎng)人員通過用戶界面，可以隨時(shí)隨地查詢監(jiān)測(cè)部位的裂縫寬度、撓度、應(yīng)變隨溫度、時(shí)間變化曲線，及時(shí)了解橋梁的當(dāng)前狀態(tài)，并在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)得到系統(tǒng)的預(yù)警通知。

3.4 小結(jié)

通過在萬州大橋安裝橋梁健康自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合日常巡查情況，橋梁管養(yǎng)人員可以直觀、實(shí)時(shí)了解橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變、裂縫發(fā)育、超載車輛的情況，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的變化、維護(hù)保養(yǎng)的記錄、已建成數(shù)據(jù)等多種大數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)的挖掘、分析，可以準(zhǔn)確把握橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，在城市橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)城市橋梁狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為橋梁的管理與養(yǎng)護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，促進(jìn)橋梁工程整體管理水平的提高，減少因橋梁自身結(jié)構(gòu)問題引發(fā)的安全事故，使得城市橋梁更好地服務(wù)于人民。

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