基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長江公路二橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與研究

胡可， 王佐才， 段大猷， 任偉新，3

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥230088；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥230009；3.合肥工業(yè)大學，安徽省基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與監(jiān)測工程實驗室，安徽 合肥 230009)

0 前言

橋梁在使用過程中，不可避免地會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，導(dǎo)致橋梁抵抗破壞能力下降，極端情況下會引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故[1]。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，需對大跨度橋梁采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況[2,3]，即建立橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通過多種現(xiàn)代化的傳感和信號采集處理手段，獲取橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境輸入以及結(jié)構(gòu)本身各種狀態(tài)參量，進而對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行監(jiān)測與評估，實時報告橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況，損傷的發(fā)生及其位置、性狀；當工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為一個熱點研究方向，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[4-8]。

美國最先在威斯康星州Michigan Street Bridge上安裝了世界上第一套遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對裂縫的發(fā)展狀況和其他狀態(tài)參數(shù)變化的監(jiān)測[9]。英國對愛爾蘭的Foyle橋在80年代安裝了實時監(jiān)測設(shè)備，以研究車輛、風及溫度對大橋響應(yīng)的影響。該系統(tǒng)作為安裝較早且較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，能做到對橋梁狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測、實時分析[10]。我國的李惠和歐進萍教授[11,12]提出了大跨斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，提出橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計原則、傳感器優(yōu)化布置方法、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計原則和方法等等。

此后，建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉橋、美國的主跨440m的Sunshine Skyway Bridge、丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624m的Great Belt East懸索橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、英國的Flintshire獨塔斜拉橋、加拿大的Confederation連續(xù)剛構(gòu)橋、日本的明石海峽大橋、韓國的Seo-Hae斜拉橋、泰國的Rama 8橋（獨塔斜拉橋）等。1997年通車的香港青馬大橋，花費16,00萬美元建立了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，共安裝了600多種各類傳感器，包括加速度計、應(yīng)變計、風速計、熱電偶和GPS系統(tǒng)等，除青馬大橋外，香港的另外2座大型斜拉橋Kap Shun Mun和Ting Kau橋上都安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，3座橋梁的傳感器總數(shù)達900個。我國內(nèi)地自1997年起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如上海的徐浦大橋和盧浦大橋、江陰長江大橋等等。

本文針對蕪湖長江公路二橋全漂浮式分肢柱式塔四索面分體式鋼箱梁結(jié)構(gòu)的特點，進行了結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，確定了相應(yīng)的效應(yīng)監(jiān)測指標以及具體監(jiān)測項目。為了監(jiān)測該橋的運營環(huán)境，確定了環(huán)境及荷載監(jiān)測項目。提出了蕪湖長江公路二橋健康監(jiān)測的系統(tǒng)總體構(gòu)架方案，確定了由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)、健康狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)和橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)組成的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)特點

蕪湖長江公路二橋是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱八橫”中的“縱二”組成部分，在交通路網(wǎng)規(guī)劃中具有重要的地位。起點位于無為縣的石澗，在磯頭山過長江。蕪湖長江公路二橋主橋跨徑布置為（100+308+806+308+100）m全漂浮式分肢柱式塔四索面分離式鋼箱梁斜拉橋。主塔基礎(chǔ)采用直徑39m的圓形承臺，承臺下設(shè)30根鉆孔灌注樁。索塔采用獨柱式結(jié)構(gòu)形式，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座和下橫梁，索塔總高262.48m。其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m。塔柱采用空心八面形斷面，上塔柱為整體單箱單室，中塔和下塔柱為分肢箱型等高度截面。斜拉索為同截面回轉(zhuǎn)拉索，抗拉標準強度為1860MPa，彈性模量為195000MPa。主梁為扁平弧形底板分離鋼箱，正交異性橋面板，總寬度達53m。中線處梁高3.5m。53m寬主梁由雙18m寬單箱和中間17m寬透空帶組成，雙邊箱梁采用箱形橫梁連接。

2.1 主梁結(jié)構(gòu)體系特點

主橋通航孔由806m的主跨跨越，308m的邊跨為備用通航孔，另設(shè)100m的協(xié)作跨，全橋滿足通航凈空、凈寬要求。鋼梁標準索距16m，塔上豎向標準索距2.5m。橋面縱坡為1.98%，其中主跨處于R=25000m的圓弧豎曲線上。主梁為分離式扁平流線形封閉鋼箱梁，其中上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)。斜拉索采用強度為1860MPa的鍍鋅鋼絞線。

鋼箱梁按2個行車道方向分為兩幅獨立的箱梁，單幅箱梁兩側(cè)各設(shè)有斜拉索錨固點，斜拉索在塔端采用鞍座錨固系統(tǒng)，兩幅箱梁之間間隔一個梁段設(shè)置橫梁進行連接。

單幅箱梁在邊墩、過渡墩處各設(shè)置1個雙向滑動支座，支座規(guī)格分別為2000t和600t；在索塔處不設(shè)豎向支座，僅設(shè)置橫向抗風支座和縱向帶限位功能的粘滯阻尼器，單個索塔共有2×2=4個雙向滑動支座，支座規(guī)格為500t。粘滯阻尼器對脈動風、剎車和地震引起的動荷載具有阻尼耗能作用，而對溫度和汽車引起的緩慢位移無約束。當由靜風、溫度和汽車引起的塔梁相對縱向位移在阻尼器設(shè)計行程以內(nèi)，不約束主梁運動；超出行程時，對主梁運動產(chǎn)生固定作用。一個塔梁固結(jié)處安裝4個粘滯阻尼器，全橋共設(shè)8個。

2.2 主塔結(jié)構(gòu)體系特點

主塔采用獨柱形，包括上塔柱（包含上、中塔柱連接段）、中塔柱（包含中、下塔柱連接段）、塔座和下橫梁，采用C50混凝土。塔柱頂高程264.48m，塔柱底中心高程5.00m，塔座底中心高程2.00m。塔索塔總高262.48m（含塔座）：其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m；中、下塔柱橫橋向側(cè)面的斜率為1/49.425，順橋向側(cè)面的斜率為1/74.137。索塔在橋面以上的高度為212.936m，高垮比為0.264，索塔底部截面尺寸為18.5×15m，頂部截面尺寸為8×8m。

塔柱采用空心八邊形斷面，上塔柱為整體單箱單室，尺寸由8.00×8.00m變化到12.37×10.914m，上塔柱壁厚度順橋向為2.77～3.82m，橫橋向厚度為2.03～3.6m。AW(AN)3-AW(AN)25、JW(AN)3-JW(AN)25號斜拉索主塔上采用鞍座錨固形式，AW(AN)2-AW(AN)3、JW(AN)2-JW(AN)3、AW1(JW1)號拉主塔上為齒板錨固形式。中下塔柱為分肢箱型等高度截面，截面高度為4m，每肢塔設(shè)電梯孔，電梯孔橫橋向?qū)挾葹?.5m，為保證下塔柱能夠抵抗船舶撞擊力，下塔柱底部至標高17.5m的范圍設(shè)橫梁兩分支塔連成整體型截面。

上塔柱荷載通過上、中塔柱連接段傳到2個分肢，設(shè)置2道厚度3.0m的橫隔板予以加強，在連接段上部設(shè)長2.15m，寬度5.8m的混凝土墊塊用于支撐2～3號斜拉索錨塊；隔板上設(shè)置2個混凝土錨墩用于1號斜拉索錨固，考慮此連接段受力復(fù)雜，在連接段范圍內(nèi)設(shè)置20根15.2-16環(huán)形預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼材采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線。塔柱內(nèi)側(cè)在標高50.294m處設(shè)有主梁橫向抗風支座，在橋塔橫梁設(shè)置阻尼器墊石，并在相應(yīng)的位置設(shè)置厚度為1m的橫隔板。

2.3 斜拉索同向回轉(zhuǎn)錨固體系特點

蕪湖長江公路二橋斜拉索采用同向回轉(zhuǎn)鋼絞線斜拉索，梁上錨固間距16m，采用錨拉板錨固系統(tǒng)，塔上錨固為四索面雙層同向回轉(zhuǎn)拉索錨固體系。同向回轉(zhuǎn)鋼絞線斜拉索采用的是無粘結(jié)鋼絞線拉索，通過同向回轉(zhuǎn)拉索錨固方式，在橋塔上采用斜置鞍座錨固，斜拉索在鞍座中回轉(zhuǎn)后在同側(cè)穿出，再錨固在主梁同一截面上，形成一對同編號斜拉索。同向回轉(zhuǎn)拉索錨固體系在橋塔內(nèi)所占用的空間較小，不需內(nèi)置大型鋼構(gòu)件，斜拉索在橋塔上以斜置方式錨固，拓展了傳統(tǒng)鞍座的使用方式。橋塔斜置鞍座的安裝和定位簡單，穿索、換索安全性優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)構(gòu)功能需求分析及響應(yīng)監(jiān)測指標

針對蕪湖長江公路二橋的結(jié)構(gòu)體系特點，將大橋解析為主梁結(jié)構(gòu)體系、主塔結(jié)構(gòu)體系及斜拉索同向回轉(zhuǎn)錨固體系3個結(jié)構(gòu)體系，分析各個結(jié)構(gòu)體系的特征和功能需求，確定各個結(jié)構(gòu)體系的監(jiān)測測點及傳感器布設(shè)。

3.1 主梁監(jiān)測

主梁結(jié)構(gòu)特點為：縱向全漂浮體系、寬度大、分幅布置、跨度大，活載作用下主梁跨中撓度為1023mm，約為中跨跨度的1/788；變形量大，且呈現(xiàn)三向位移及扭轉(zhuǎn)特性。

針對橋梁變形大的功能需求特點，將對主梁的線形進行全面監(jiān)測。主要的監(jiān)測指標為主梁豎向撓度、主跨跨中空間位移。主梁豎向撓度采用連通管水準測量，測點均勻分布在全橋主梁上，監(jiān)測主梁的豎向撓度；主跨跨中空間位移測點監(jiān)測主跨跨中整個截面豎向、橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)位移，其中豎向位移與連通管測點呈現(xiàn)冗余、互為校核。

3.1.1 主梁變形監(jiān)測

主梁豎向撓度監(jiān)測點設(shè)計為主跨四分點、邊跨跨中及輔助墩墩頂，每幅箱梁測點14個，全橋共28個測點。為監(jiān)測寬幅箱梁的扭轉(zhuǎn)變形，在主跨跨中及1/4跨、3/4跨、邊跨跨中橫向布置4個測點。主梁豎向撓度監(jiān)測測點布置如圖1所示。

另外，為監(jiān)測跨中的空間位移，在跨中布置GPS測點，橫梁中部布置1個。GPS測點與連通管水準測量點在主跨跨中呈現(xiàn)冗余，互為校核。GPS測點與主塔塔頂空間位移測點聯(lián)合組網(wǎng)，采用1個共同的基準點。主梁的變形測點匯總于表1所示。

圖1 主梁豎向撓度監(jiān)測測點布置

主梁豎向撓度監(jiān)測測點布置匯總 表1

3.1.2 鋼箱梁應(yīng)變測點布置

蕪湖二橋主梁為正交異性橋面板，主要的功能需求為鋼橋面板的疲勞監(jiān)測需求。針對可能發(fā)生疲勞破壞的特征，選擇主跨跨中、塔梁交接處的3個鋼箱梁截面作為應(yīng)力監(jiān)測斷面。選擇中間車道的中間橋面系作為監(jiān)測區(qū)域。每幅箱梁7個U肋底板縱向測點，6個面板橫向測點，共13個測點，監(jiān)測區(qū)域涵蓋1車道內(nèi)側(cè)一半寬度、2車道外側(cè)一半寬度；每斷面26個測點，全橋3個斷面共78個測點。鋼箱梁應(yīng)變測點的斷面布置如圖2所示。

3.1.3 主梁振動監(jiān)測

圖2 斷面應(yīng)變測點布置

本橋的主要低階振型有：縱漂、側(cè)彎、豎彎、扭轉(zhuǎn)。根據(jù)振動監(jiān)測的需求，綜合前十階振型最大位移的位置，確定主梁的振動監(jiān)測測點布設(shè)。主梁橫向測點監(jiān)測截面位置為：次邊跨跨中，主跨四分點、主跨跨中共計5個橫向振動測點。主梁的縱向振動測點為塔梁交接處及主跨跨中截面共計3個縱向振動測點。主梁豎向測點監(jiān)測截面位置為：次邊跨跨中、塔梁鉸接處、主跨四分點、主梁跨中共計7個測試斷面14個豎向振動測點。主梁振動測點布置如圖3和表2所示。

圖3 主梁振動測點布置

主梁振動測點匯總 表2

3.2 主塔監(jiān)測

主塔是橋梁主要承重構(gòu)件，橋梁所有的恒、活荷載均通過斜拉索將之傳遞至主塔，由主塔傳輸至基礎(chǔ)。另外，由于在地震、風等荷載作用下，主塔的橫向變位和變截面處的應(yīng)力應(yīng)變測量也是主塔監(jiān)測的重要功能需求。因此，主塔的變形監(jiān)測需求主要有塔頂空間位移、塔柱的垂直度、塔的關(guān)鍵截面應(yīng)變監(jiān)測。

3.2.1 塔頂空間位移監(jiān)測

本橋主塔從承臺以上高約260m，高度大、結(jié)構(gòu)柔、運營期間塔頂變位大。傾斜儀測量結(jié)果為角度、不直觀，且傾斜儀在活載激振下過于敏感，容易出現(xiàn)較多的異常值。GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)為三向位移，采用RTK方法可獲得較高的精度，可滿足本橋主塔的空間變位監(jiān)測。全橋GPS站點設(shè)置采用移動和固定式配合設(shè)置，布置一個移動GPS站點，固定式GPS站點分別設(shè)置在主塔及主梁上，在Z3、Z4塔頂各布置一個GPS測點，主梁跨中布置一個GPS測點，見圖4所示。

圖4 塔頂空間位移測點布置圖（圖中包含了主梁跨中空間位移測點）

3.2.2 塔柱垂直度監(jiān)測

單根塔柱總體上比傳統(tǒng)的A型塔柱、倒Y型塔柱剛度偏小。采用傾角儀監(jiān)測塔柱的偏角，通過擬合得到垂直度情況。本橋在下橫梁處布置1個測點；上塔柱分叉處、中部及頂部各布置1個傾角測點；單塔柱布置4個雙向傾角儀，全橋共8個雙向傾角儀。塔柱垂直度傾角測點布置如圖5所示。

圖5 塔柱垂直度傾角測點布置

3.2.3 主塔應(yīng)變監(jiān)測

主塔應(yīng)變是結(jié)構(gòu)恒載受力狀態(tài)的反應(yīng)指標，健康監(jiān)測系統(tǒng)部分繼承施工監(jiān)控期間的應(yīng)變測點，測試結(jié)果包括了結(jié)構(gòu)施工過程的應(yīng)力值，是結(jié)構(gòu)的絕對應(yīng)力，監(jiān)測主塔結(jié)構(gòu)的絕對應(yīng)力是結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的重要監(jiān)測需求。因此，在施工過程中，就針對蕪湖二橋塔的關(guān)鍵截面預(yù)埋了健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感元件。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的最不利分析結(jié)果，主塔應(yīng)變監(jiān)測斷面確定為：上塔柱斜拉索錨固區(qū)、上中塔柱交接處、中下塔柱交接處。其中上塔柱斜拉索錨固區(qū)選擇第4號和第10號斜拉索錨固斷面，每斷面布置2個豎向應(yīng)變計，每個錨固體頂點各1個；斜向應(yīng)變計6個，每個錨固體3個；按45°角分布，指向錨體圓心。每塔16個，全橋共32個測點。主塔應(yīng)變監(jiān)測斷面如圖6所示，令1/2跨與之對稱。

圖6 1/2跨主塔應(yīng)變監(jiān)測斷面

上中塔柱交接處布置10個測點，其中應(yīng)變花2處、共6個；豎向應(yīng)力監(jiān)測點4個。每塔10個測點，全橋共20個測點。斷面內(nèi)測點布置見下圖所示。中、下塔柱交接處斷面內(nèi)布置4個測點，全橋8個測點。斷面3、4為索鞍處結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測。主塔應(yīng)變測點布置如圖7所示。

圖7 主塔應(yīng)變測點布置

3.3 斜拉索回轉(zhuǎn)錨固體系監(jiān)測

斜拉索為四索面同向回轉(zhuǎn)索體系，其受力相對于雙索面而言則更為復(fù)雜，四索面斜拉橋的關(guān)鍵問題之一是四索面索力分配是否均勻。內(nèi)外側(cè)索力分布不均勻，同截面索力的變化會導(dǎo)致鋼橫梁受力狀態(tài)的變化，以及回轉(zhuǎn)索的抗滑移性能，所以需要對斜拉索的索力進行監(jiān)測。由于同向回轉(zhuǎn)拉索體系的分絲夾持型鞍座是屬于新型的錨索系統(tǒng)，需要對這種鞍座錨體的狀態(tài)進行監(jiān)測。

3.3.1 基于振動法的索力監(jiān)測

通過索力與斜拉索振動頻率關(guān)系，根據(jù)頻率換算為斜拉索索力。斜拉索振動響應(yīng)監(jiān)測兼顧索力監(jiān)測。全橋共設(shè)40個自動化索力監(jiān)測點，測點布置如圖8所示。

圖8 斜拉索振動測點布置

3.3.2 同向回轉(zhuǎn)錨固體系監(jiān)測

該橋所采用的分絲夾持型鞍座是屬于新型的錨索系統(tǒng)，需要對這種鞍座錨體的狀態(tài)進行監(jiān)測，鞍座工作性能監(jiān)測包括應(yīng)力、溫濕度和視頻監(jiān)控3個部分。其中上塔柱斜拉索錨固區(qū)選擇第4號和第10號斜拉索錨固斷面，每斷面布置2個豎向應(yīng)變計，每個錨固體頂點各1個；斜向應(yīng)變計6個，每個錨固體3個；按45°角分布，指向錨體圓心。每塔16個，全橋共32個測點。鞍座應(yīng)力測點布置如圖9所示。

圖9 鞍座應(yīng)力測點布置

直接裸露的工作面是分絲管內(nèi)壁、線管內(nèi)壁、外面及前導(dǎo)管的內(nèi)壁，傳感器探頭布置在分絲管V型槽口的下端位置。探頭布置的位置在鞍座出口20cm直線段范圍內(nèi)。傳感器布置的位置在鞍座的中間區(qū)域，選用的鞍座編號為AN18左側(cè)，AW18左側(cè)，在這兩個位置每個斷面布置2個分絲管進行監(jiān)測，共布置4個溫濕度監(jiān)測測點。

鞍座在出口位置鋼絞線在分絲管內(nèi)部處于微動磨損狀態(tài)中，絞線在該位置處于連續(xù)的磨損狀態(tài)，如果鋼絞線的防腐層出現(xiàn)破損，將會在此位置損傷，因此需要對該位置鋼絞線和鞍座分絲管的之間的工作狀態(tài)進行監(jiān)測。內(nèi)視探頭布置在靠近法蘭盤的位置，可視范圍在分絲管下側(cè)、V型管底端、鋼絞線和V型管接觸點、鋼絞線下側(cè)位置。布置的位置選擇在鞍座編號為AN18右側(cè)、AW18右側(cè)，在這2個位置每個斷面布置4個分絲管進行監(jiān)測，共布置8個內(nèi)視測點。設(shè)備在管內(nèi)的安放位置及可見區(qū)域如圖10所示。

圖10 內(nèi)視探頭的安裝位置

4 環(huán)境及其它指標監(jiān)測

4.1 結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測

為了獲得結(jié)構(gòu)主梁和主塔溫度場的分布，建立溫度荷載模型，滿足結(jié)構(gòu)溫度荷載監(jiān)測需求，選擇主跨跨中斷面和Z3主塔斷面，詳細監(jiān)測鋼箱梁截面和主塔截面溫度梯度分布。

箱梁斷面的溫度測試布置如圖11所示。其中2個為有鋪裝測試斷面3個為無鋪裝測試斷面，有鋪裝測試斷面布置有6個溫度測點無鋪裝測試斷面布置有5個溫度測點，整個主跨跨中監(jiān)測斷面共54個溫度測點。

圖11 結(jié)構(gòu)溫度測點布置

主塔監(jiān)測斷面全斷面布置溫度測點24個，測點布置如圖12所示。

圖12 主塔結(jié)構(gòu)溫度測點布置

4.2 風速風向監(jiān)測

風速風向監(jiān)測主要滿足風荷載監(jiān)測需求，測點選擇在橋面兩側(cè)、塔頂、拱頂，其安裝位置盡可能地監(jiān)測到自由場風速和風向。本橋在Z3、Z4塔頂各布置1個測點（雙向風速監(jiān)測），主跨跨中上、下游兩側(cè)各布置1個測點（三向風速監(jiān)測），邊跨跨中上、下游兩側(cè)各布置1個測點（三向風速監(jiān)測），全橋共4個測點。

4.3 車輛荷載及其他監(jiān)測

為滿足橋梁車輛荷載監(jiān)測需求，設(shè)計動態(tài)稱重系統(tǒng)，選定在北引橋N278墩墩頂截面，該截面振動較小，混凝土結(jié)構(gòu)鋪裝層內(nèi)裝有稱重采集系統(tǒng)，車道上方裝有抓拍系統(tǒng)，覆蓋6道行車道。

大氣溫濕度監(jiān)測與橋面風速風向測點同步布置、共用安裝支架，在主跨跨中共1個測點。

箱梁溫濕度監(jiān)測選擇邊跨跨中、主跨跨中共3個斷面，每個斷面布置2個溫濕度測點，監(jiān)測箱梁內(nèi)部溫濕度情況，全橋共6個測點。

在2個主塔底部各安裝1個強震儀，在北岸N278橋墩基礎(chǔ)附近安裝1個強震儀，全橋共3個強震儀測點；監(jiān)測可能的船舶撞擊、地震作用下的橋梁基礎(chǔ)及地面震動情況。

5 健康監(jiān)測系統(tǒng)及組成

5.1 自動化監(jiān)測匯總

基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長江公路二橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個高度集成化的健康監(jiān)測系統(tǒng)，具有大量的自動化測點。所有監(jiān)測測點布置總圖及測點匯總表見圖13及表3。

5.2 系統(tǒng)主要功能和組成

結(jié)合蕪湖長江公路二橋本身結(jié)構(gòu)功能需求，以及大橋預(yù)警、評估和管養(yǎng)決策方面的需求，蕪湖長江公路二橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由下列6大子系統(tǒng)構(gòu)成：傳感器子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)；健康狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)；用戶界面子系統(tǒng)；橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)。

①傳感器子系統(tǒng)用于監(jiān)測蕪湖長江公路二橋的荷載(包括環(huán)境因素)及響應(yīng)，能夠向健康狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)提供數(shù)量和精度都滿足要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)對各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集并將采集信號通過專用線纜(或光纜)或無線方式傳送至采集站，為數(shù)據(jù)分析和安全評估提供數(shù)據(jù)支持。

③用戶界面子系統(tǒng)通過該子系統(tǒng)實現(xiàn)將各種數(shù)據(jù)實時按需求向用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。通過建立在監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器上的，基于B/S架構(gòu)的一系列可視化軟件組件，向監(jiān)控中心現(xiàn)場操作人員以及授權(quán)的遠程客戶端用戶提供友好的人機交互界面，實現(xiàn)便捷的系統(tǒng)控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)立體查詢和在線分析。

圖13 自動化測點布置總圖

④數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理與存儲服務(wù)器、現(xiàn)場采集計算機組成。子系統(tǒng)通過專用以太網(wǎng)和RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸、并控制安裝在外場的數(shù)據(jù)采集模塊和解調(diào)設(shè)備。對所有信號進行收集、處理、分析、顯示、歸檔和存儲，將經(jīng)過處理和分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)服務(wù)器，以進行結(jié)構(gòu)安全狀況評估和產(chǎn)生監(jiān)測/評估報告。

自動化測點匯總表 表3

⑤健康狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)通過荷載輸入和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)對橋梁整體及關(guān)鍵部件的安全狀況進行評估，判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，是否即將達到或超越服役極限狀態(tài)。對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要變化及橋梁出現(xiàn)不安全征兆時進行預(yù)警，提供報警信號，提醒管養(yǎng)人員關(guān)注結(jié)構(gòu)運營安全狀況，及時進行維修養(yǎng)護，保障結(jié)構(gòu)健康正常運行。

⑥橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計建立人工巡檢養(yǎng)護管理子系統(tǒng)，為日后大橋長期運營過程中的巡檢管養(yǎng)工作提供電子化數(shù)據(jù)接口和管養(yǎng)決策、計劃指導(dǎo)。該系統(tǒng)的功能模塊包括：巡檢管養(yǎng)工作信息綜合發(fā)布模塊；系統(tǒng)管理模塊；橋梁檔案管理模塊；基礎(chǔ)信息管理模塊；技術(shù)狀況評估與決策模塊；養(yǎng)護計劃管理模塊；養(yǎng)護維修管理模塊；自動報告報表模塊。

6 結(jié) 語

蕪湖長江公路二橋發(fā)展了斜拉索回轉(zhuǎn)錨固體系、分肢柱式塔和四索面分體式鋼箱梁等一系列新技術(shù)。需要對該橋進行運營狀態(tài)下的實時監(jiān)測，獲取橋梁健康狀況的實時特征信息，提供大橋養(yǎng)護管理的技術(shù)依據(jù)，對橋梁的安全可靠性進行評估。通過對蕪湖長江公路二橋的結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，對橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究，得到的主要結(jié)論有：

①針對該橋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)解析和功能需求，確定了分體式寬箱梁、分肢柱式塔以及同向回轉(zhuǎn)斜拉索體系的三大橋梁結(jié)構(gòu)特點；

②根據(jù)結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，確定了橋梁重要結(jié)構(gòu)部分、環(huán)境條件及其他因素的監(jiān)測指標；

③基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長江公路二橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標，減少了傳感器的安裝數(shù)量，同時，也可以為其長期安全穩(wěn)定的運營提供有力保障。