堡子坪大橋結構健康監(jiān)測技術方案

韋衛(wèi)

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

1.1 項目工程背景

堡子坪大橋位于G312上海至霍爾果斯安定段，中心樁號K2048+059。堡子坪大橋屬于T形鋼構組合梁，是國道312定西段重要的交通運輸橋梁。堡子坪大橋立面照如圖1所示，平面照如圖2所示。

圖1 堡子坪大橋立面照

圖2 堡子坪大橋平面照

在橋梁設計、建造、運營、養(yǎng)護維修的整個生命周期內，橋梁不可避免地會因各類因素影響或共同作用而產生缺陷或病害，甚至部分橋梁在交通或者環(huán)境的偶發(fā)作用下會出現(xiàn)突發(fā)的橋梁災難性事件。

根據交通運輸部（交公路發(fā)〔2007〕336號文件）關于印發(fā)《公路橋梁養(yǎng)護管理工作制度》的通知要求，堡子坪大橋橋梁的結構安全監(jiān)管系統(tǒng)需要將實時監(jiān)管技術與制度化、專業(yè)化的人工巡檢（包括檢測）機制相結合，“由內而外、由表及里”地全面監(jiān)管結構的運營使用狀態(tài)，為制定針對性、高效性與及時性的養(yǎng)護維修方案措施提供輔助決策依據。

方案針對堡子坪大橋的運營環(huán)境特點以及橋梁結構的受力特點，將結構面臨的危險源劃分為結構損傷和結構狀態(tài)的不利性改變兩大類，并根據當前科學技術水平提出針對不同危險源情況的監(jiān)測和巡檢養(yǎng)護手段策略，針對性地服務于橋梁百年的運營管養(yǎng)。

（1）拱橋結構狀態(tài)的不利性改變主要通過自動化傳感測試子系統(tǒng)進行代表性結構構件的監(jiān)測，監(jiān)管目標是根據監(jiān)測及加載計算推斷全橋類似結構的安全承載能力，重在對橋梁結構整體或局部受力及狀態(tài)變化的掌控。

（2）養(yǎng)管人員可到達的橋梁構件內外表面在結構運營期內不可避免地將出現(xiàn)表觀損傷，則主要通過電子化人工巡檢子系統(tǒng)在基于風險管理的基礎上目標性巡查可視的損傷或病害，重在按巡檢養(yǎng)護軟件上分解的結構各構件既定的巡檢程序和設定的巡檢內容，有計劃地檢查并規(guī)范、標準地記錄橋梁構件、非結構物（附屬構造）以及附屬設施的表觀損傷或病害，監(jiān)管目標是保障其能夠得到及時、經濟、合理的維護和維修。

堡子坪大橋巡檢（檢測）與監(jiān)測技術[1]結合如圖3所示。

圖3 巡檢（檢測）、監(jiān)測技術結合

1.2 總體思路

1.2.1 相關標準

設計主要參照以下標準：大橋設計說明書、大橋主橋設計圖冊、《結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計標準》（CECS333—2012）。

1.2.2 總體思路

針對上述背景及設計方案，建立一個長期的在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，對橋梁進行實時長期監(jiān)測，并及時預警。

該系統(tǒng)以帶有操作系統(tǒng)功能的系統(tǒng)操作軟件為平臺，以數(shù)據管理系統(tǒng)為核心，以在線傳感器[2]系統(tǒng)、數(shù)據采集和傳輸系統(tǒng)和狀態(tài)評估系統(tǒng)、遠程信息查詢系統(tǒng)、管理應用系統(tǒng)為外圍應用功能，具有良好的適應性、可擴展性、兼容性、可靠性、容錯性和易操作性的開放式模塊化構架。

該監(jiān)測預警系統(tǒng)具備的主要功能如下：主橋兩端伸縮位移監(jiān)測、結構應力監(jiān)測、結構溫度監(jiān)測、動力特性監(jiān)測、鋼混結構裂縫監(jiān)測、主梁整體撓度監(jiān)測、視頻監(jiān)控、結構安全檔案管理、用戶訪問支持與控制。

1.2.3 總體目標

堡子坪大橋結構安全監(jiān)測巡檢管理系統(tǒng)（PuzipingBridgestructuresafetymonitoringandinspectionmanagementsystem，以下簡稱“PBSMAIMS系統(tǒng)”）的設計及實施工作，力求利用當代傳感測試技術、風險管理技術、計算機科學技術、光電子信息技術、橋梁計算分析技術等最新科技成果構建堡子坪大橋運營期結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的使用，盡可能達到并延長設計期許的橋梁安全使用壽命，系統(tǒng)預達如下目標：

（1）堅持以“全壽命周期內的監(jiān)管養(yǎng)護”為目標，針對性地建立堡子坪大橋的數(shù)字化、信息化檔案，服務于堡子坪大橋運營期的監(jiān)管養(yǎng)護工作。

（2）定制并規(guī)范橋梁全壽命期的養(yǎng)護維修，力求進行主動管養(yǎng)，輔助大橋管養(yǎng)者制定預防性、高效、經濟、合理的養(yǎng)護措施，降低橋梁災難性事故發(fā)生的概率，努力達到橋梁結構的設計基準壽命。

（3）及時“感知橋梁”，盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結構自身及行車所面臨的危險狀況，在橋梁結構危險萌芽階段發(fā)出預警；有效地監(jiān)管運營期橋梁的結構使用狀態(tài)及其發(fā)展趨勢。

（4）收集橋梁自然及運營環(huán)境、結構響應參數(shù)，為類似結構設計、建設、養(yǎng)護技術的可持續(xù)發(fā)展以及橋梁安全監(jiān)測國家及行業(yè)規(guī)范或標準的制定提供技術支撐和參考依據。

2 堡子坪大橋健康監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測內容及監(jiān)測點位布置

根據堡子坪大橋結構分析結果，健康監(jiān)測項目主要包括兩端伸縮位移、結構應力、結構溫度、動力特性、裂縫和主梁整體撓度監(jiān)測。設計方案選用拉線式位移計、表面應變計、溫度傳感器、加速度計、拉桿式位移計和靜力水準對上述力學物理參數(shù)進行實時在線監(jiān)測。傳感器布置方案如圖4和圖5所示。

圖4 傳感器布置示意圖

圖5 監(jiān)測點安裝位置示意圖

2.2 監(jiān)測方案

（1）橋梁撓度監(jiān)測[3]。在西側橋頭水平參考點處安裝一套光纖光柵式靜力水準儀，作為橋梁撓度的參考點；在橋梁的第一跨3/4斷面、第二跨1/3及2/3斷面、第三跨3/4斷面、第四跨端部分別安裝一套光纖光柵式靜力水準儀，作為撓度監(jiān)測傳感器。

（2）橋梁應變和溫度監(jiān)測。在橋梁第一跨3/4斷面、第二跨中、第三跨3/4斷面處分別安裝4套表面式應變計,應變傳感器用來監(jiān)測橋梁應變變化情況。在應變傳感器相同位置安裝相同數(shù)量的溫度傳感器作為溫度補償。

（3）主橋兩端伸縮位移監(jiān)測。在橋梁東西兩側即第一跨和第三跨兩端與引橋交界處分別安裝一套光纖光柵拉線式位移計。

（4）橋梁動力特性監(jiān)測。在橋梁的1號橋墩、2號橋墩與主梁結合處共布設6個光纖光柵式加速度計，監(jiān)測橋梁的動態(tài)特性。

（5）橋梁裂縫監(jiān)測。在1號橋墩墩頂箱梁內、2號橋墩墩頂箱梁內和跨中出現(xiàn)裂縫的位置安裝光纖光柵式拉桿位移計，該位移傳感器可以監(jiān)測裂縫的變化狀況。

（6）橋梁視頻監(jiān)控。為保證橋梁運行安全，在橋梁北端安裝夜視紅外攝像機進行車輛識別、圖像保存。

3 橋梁健康監(jiān)測總體架構

橋梁健康監(jiān)測總體架構如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

3.1 光纖光柵傳感系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由光纖光柵解調儀、現(xiàn)場光纖光柵傳感器、傳輸光纜、軟件組成。

3.2 數(shù)據解調系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據采集管理系統(tǒng)

現(xiàn)場所有監(jiān)測傳感器在同一個截面的串聯(lián)在一根光纜上，所有截面的光纜并聯(lián)到傳輸主纜上，采用一臺光纖光柵解調儀，用于現(xiàn)場應變、溫度、撓度、裂縫開合度、兩端伸縮、振動的實時監(jiān)測，光纖光柵解調儀布置在北頭箱梁內部。橋梁數(shù)據管理、分析功能為橋梁整體情況提供可靠數(shù)據，并給出維護依據。橋梁結構參數(shù)可實時在線監(jiān)測、顯示，方便不同用戶查看；具有預警、報警功能，可及時維護橋梁，減少不必要的安全事故與損失；故障自診斷，鏈路、傳感器故障及位置均可自檢，及時查出與更換損壞設備，避免漏檢；可實現(xiàn)技術人員橋梁現(xiàn)場檢查與監(jiān)測。

3.2.2 數(shù)據傳輸分析系統(tǒng)

現(xiàn)場光纖光柵傳感系統(tǒng)采用光纜傳輸，傳感器通過光纖接入現(xiàn)場光纖光柵解調儀。光纖光柵解調儀監(jiān)測到的數(shù)據以及視頻圖像通過運營商的光纖網絡發(fā)送到遠端的監(jiān)控中心服務器。

數(shù)據分析系統(tǒng)由云服務器、數(shù)據采集分析軟件和支持大數(shù)據存儲的數(shù)據庫構成，數(shù)據采集分析軟件負責向前端采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據采集命令并接收前端采集系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據，對接收到的數(shù)據進行處理后寫入數(shù)據庫，并依據預設的閾值對接收的數(shù)據進行實時分析，對異常數(shù)據進行告警。云數(shù)據中心采用大數(shù)據架構搭建，能容納海量數(shù)據的存儲，并能進行大數(shù)據分析。

系統(tǒng)特點：本系統(tǒng)完整，符合結構監(jiān)測行業(yè)標準；采用先進的光纖光柵結構監(jiān)測技術，實現(xiàn)現(xiàn)場結構監(jiān)測子系統(tǒng)所有參數(shù)統(tǒng)一設備采集，單系統(tǒng)可接幾百個傳感器；距離集中測量與分散測量兩相宜，可實現(xiàn)20km遠傳輸，避免系統(tǒng)分散；光纖光柵技術性能穩(wěn)定、壽命長，抗電磁干擾，避免系統(tǒng)短期癱瘓，發(fā)揮長期監(jiān)測效益；軟件系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)場監(jiān)測、無線遠傳。

4 健康監(jiān)測[4]平臺

健康監(jiān)測平臺由前端數(shù)據采集系統(tǒng)、網絡傳輸系統(tǒng)、云數(shù)據中心、監(jiān)測預警客戶端四大部分構成。平臺整體架構如圖7所示。

（1）前端數(shù)據采集系統(tǒng)。由一系列能準確測量橋梁結構土力學參數(shù)的測量傳感器及相應的電源、避雷裝置、機箱、電纜等設備構成。

（2）網絡傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)場采用無線通信技術將采集系統(tǒng)的數(shù)據實時傳回到數(shù)據中心，網絡傳輸系統(tǒng)同時兼容三大運營商3G/4G網絡，傳輸速率快，可保證數(shù)據的實時傳輸。

（3）監(jiān)測預警客戶端。包含PC客戶端、平板電腦客戶端和手機客戶端，客戶端提供系統(tǒng)管理與配置、數(shù)據瀏覽與查詢、數(shù)據可視化、監(jiān)測報警等功能，也可實現(xiàn)不同橋梁結構的分級管理。

5 運行維護設計

數(shù)據的維護指對后臺數(shù)據庫的維護，主要包括監(jiān)視數(shù)據庫的運行、數(shù)據一致性檢查、磁盤空間檢查、數(shù)據備份和恢復等。有效的運行維護是保證系統(tǒng)建成后能切實發(fā)揮效用的重要保障措施，加強對運行設備的定期和不定期檢查和維護，發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理，并登記在冊。

圖7 系統(tǒng)整體架構

6 結語

堡子坪大橋結構健康監(jiān)測技術以帶有操作系統(tǒng)功能的系統(tǒng)操作軟件為平臺，以數(shù)據管理系統(tǒng)為核心，以在線傳感器系統(tǒng)、數(shù)據采集和傳輸系統(tǒng)、狀態(tài)評估系統(tǒng)、遠程信息查詢系統(tǒng)、管理應用系統(tǒng)為外圍應用功能，具有擁有良好的適應性、可擴展性、兼容性、容錯性和易操作性的開放式模塊化構架。建立一個長期的在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，對橋梁進行實時長期監(jiān)測，并及時預警，為相關工程提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]余波,邱洪興,王浩,等.蘇通大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].地震工程與工程振動，2009，29（4）：170-177.

[2]孫田甜.橋梁健康監(jiān)測傳感器的優(yōu)化配置方法研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]王磊.大型橋梁健康監(jiān)測中撓度測量技術研究[D].南京：東南大學，2006.

[4]胡軍.荊岳大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究及應用[D].武漢：武漢理工大學，2012.