繁華大道跨南淝河斜拉橋健康監(jiān)測技術(shù)

卓之彪，李祥東

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

1 橋梁監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測系統(tǒng)

繁華大道跨南淝河斜拉橋位于合肥市繁華大道，往東至肥東縣，向西接壤合肥市。橋長764.5 m，橋?qū)?0.5 m，橋梁索塔為“H”型。該橋的主橋跨徑分別為160 m和120 m兩跨，主塔柱自橋面以上高91 m，是目前合肥市單跨跨度最大、寬度最寬的橋梁。

根據(jù)《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50982—2014)(住建部)/《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037—2016)(交通部)，對于現(xiàn)役橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及其數(shù)量如表1所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

本系統(tǒng)主要包括監(jiān)測模塊、基準(zhǔn)站模塊、數(shù)據(jù)中心模塊(云平臺)，具備實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與傳輸、自動預(yù)警等功能[1]。

(1)監(jiān)測模塊主要由嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備兩部分組成。其中嵌入式系統(tǒng)軟件主要作用是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及傳輸?shù)?，硬件設(shè)備的組成為監(jiān)測芯片、信號接收器等[2]。

(2)基準(zhǔn)站模塊。基準(zhǔn)站一般建立在視線良好的已知點上，為了便于觀測，將其作為一個永久性的固定參考點。

(3)數(shù)據(jù)中心模塊主要是數(shù)據(jù)的存儲平臺和分析平臺，數(shù)據(jù)中心模塊的核心是處理海量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測方案

主橋主梁為鋼筋混凝土箱梁。為了便于監(jiān)測點的布置，將主橋的跨徑分為主橋左跨和主橋右跨，依次從左到右將橋墩編號為1#、2#和3#。橋梁測點總布置如圖1所示。圖中尺寸單位為mm。

圖1 主橋測點總布置立面圖

2.1 主橋撓度、支座位移、傾角的監(jiān)測

(1)在主橋左跨的1/2、3/4、4/4斷面處以及主橋右跨的1/2、1/4、3/4、4/4斷面處設(shè)置主橋撓度監(jiān)測點。用于監(jiān)測撓度的靜力水準(zhǔn)儀共計12個，安裝時盡量保持在同一水準(zhǔn)面上且安裝在箱梁的內(nèi)部。

(2)在主橋最左側(cè)支座頂部和主橋最右側(cè)支座頂部設(shè)置支座位移監(jiān)測點，支座位移傳感器共計4個。

(3)距主橋橋塔頂端3 m處設(shè)置傾角傳感器，其中橋塔的一側(cè)有橫向和縱向兩個傾角傳感器，橋塔為對稱結(jié)構(gòu)，共計4個傾角傳感器。

2.2 主橋主梁應(yīng)變和橋塔應(yīng)變的監(jiān)測

(1)主橋主梁應(yīng)變的監(jiān)測

主梁應(yīng)力、應(yīng)變變化由自重荷載、車輛荷載和斜拉索索力以及溫度的變化、混凝土的收縮徐變等多方面的因素決定[3]。通過監(jiān)測主梁各部位的內(nèi)力變化，分析主梁各部位在荷載作用下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估、疲勞損傷評估及結(jié)構(gòu)損傷是監(jiān)測主梁應(yīng)力的主要內(nèi)容[4]。應(yīng)力傳感器布置于主橋左跨1/2、主橋右跨1/2以及主橋2號橋墩處箱梁兩側(cè)，共計24個。

(2)橋塔應(yīng)變的監(jiān)測

橋塔產(chǎn)生巨大的附加彎矩的原因是橋塔荷載不對稱，因此對橋塔截面進行應(yīng)力監(jiān)測是必不可少的[5]。

橋塔應(yīng)力監(jiān)測截面位于橋塔橫梁頂面上部3 m的橋塔左右兩側(cè)各一個，對稱橋塔上應(yīng)力傳感器共計8個。

綜上統(tǒng)計，應(yīng)力傳感器共計32個，其中主橋主梁應(yīng)力傳感器24個，橋塔應(yīng)力傳感器8個。

2.3 主橋溫度和風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測

(1)溫度的影響。溫度的改變會使得斜拉橋的兩種主要材料混凝土和鋼材的收縮膨脹不同步，差異較大[6]。因此，對主橋溫度進行測點監(jiān)測。溫度傳感器布置于主橋左跨1/2處和主橋右跨1/2處，共計20個。

(2)風(fēng)速風(fēng)向的影響。風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測點設(shè)置在主梁上，主橋主梁右跨的1/2處，共計1個。

2.4 主橋加速度的監(jiān)測

通過動力加速度監(jiān)測，可以有效判斷大橋在地震和風(fēng)震作用下的狀況[7]。于主橋左跨1/2處、主橋右跨1/4、1/2、3/4處和距離橋塔右側(cè)水平4 m處、距離橋塔頂面豎直1 m處布置加速度傳感器，共計17個。橋塔加速度傳感器安裝在橋塔內(nèi)部，箱梁加速度傳感器安裝在橋面板上表面(拉索區(qū))。

2.5 索力的監(jiān)測

拉索作為斜拉橋上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件，對索力的健康監(jiān)測是必不可少的[8]。該斜拉橋橋塔共計96根斜拉索，分別是橋塔北邊半幅48根斜拉索和橋塔南邊半幅48根斜拉索。對每一根斜拉索進行編號監(jiān)測，從橋塔向兩側(cè)開始編號。例如橋塔北邊半幅48根斜拉索，向西側(cè)往合肥方向編號依次為1#西北、2#西北、3#西北......24#西北。同理，另一側(cè)向東側(cè)往肥東方向編號依次為1#東北、2#東北、3#東北......24#東北：而橋塔南邊半幅48根斜拉索以此類推編號為1#西南、2#西南......24#西南，1#東南、2#東南......24#東南。

3 數(shù)據(jù)的采集、傳輸及預(yù)警

現(xiàn)場所采集的所有數(shù)據(jù)均采用無線方式進行傳輸，通過GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)的方式進行傳輸[9]，方便快捷。

橋梁健康監(jiān)測系技術(shù)預(yù)警的目的是及時報告結(jié)構(gòu)中潛在的安全風(fēng)險，在危險事故發(fā)生前進行提醒與預(yù)警。基于這一基本思想，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測預(yù)警體系應(yīng)滿足以下3個特點：

(1)及時性。健康監(jiān)測預(yù)警最重要的作用就是在危險事故發(fā)生前進行預(yù)先提醒，以避免嚴(yán)重安全事故的發(fā)生。因此對于健康監(jiān)測預(yù)警而言，“事后諸葛亮”是毫無意義的，必須以健康監(jiān)測實時采集的各類指標(biāo)響應(yīng)監(jiān)測值為依據(jù)，對橋梁結(jié)構(gòu)存在的潛在風(fēng)險及危險趨勢進行預(yù)警，向有關(guān)部門報告緊急情況，在最大程度上降低安全事故所造成的損失。

(2)準(zhǔn)確性。有效的預(yù)警能夠降低危險事故造成的損失，并為有關(guān)部門后續(xù)的加固、維修和養(yǎng)護工作提供有價值的參考。因此，一個合理有效的橋梁健康監(jiān)測預(yù)警必須采用一定方法識別不影響結(jié)構(gòu)安全的數(shù)據(jù)失真、外部因素影響等誤報警情況，同時也必須對結(jié)構(gòu)中潛在風(fēng)險的監(jiān)測指標(biāo)的變化有較高的靈敏性，實現(xiàn)準(zhǔn)確有效的結(jié)構(gòu)預(yù)警。

(3)自動性。由于橋梁結(jié)構(gòu)體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置于其上的傳感器種類和數(shù)量繁多，每時每刻均會采集并儲存大量數(shù)據(jù)。若預(yù)警技術(shù)的自動化程度不高，單純依靠人工識別是無法達到及時預(yù)警的要求的。因此，橋梁健康監(jiān)測預(yù)警必須具備自動處理數(shù)據(jù)，并自動預(yù)警的功能。

4 數(shù)據(jù)的處理及結(jié)論

在通過橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，對各傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析處理是必不可少的，數(shù)據(jù)的處理結(jié)果直接反映出橋梁的運營狀態(tài)，對橋梁的正常運營以及后期的維修養(yǎng)護起到至關(guān)重要的作用。

以2019年5月16日凌晨3∶00至3∶15之間行車數(shù)量較少的15 min時間段內(nèi)左跨跨中加速度傳感器Az2的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，進行數(shù)據(jù)分析處理。加速度時程記錄數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 左跨跨中測點Az2加速度的時程記錄

將圖表中的數(shù)據(jù)與橋梁上下橋段處的監(jiān)控相結(jié)合分析，可以推斷出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)車輛通過時，橋梁主梁的豎向加速度明顯呈現(xiàn)出非平穩(wěn)的狀態(tài)。

(2)豎向加速度值的大小與通過橋梁的車輛重量有密切的關(guān)系。

(3)當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定閾值時，后臺系統(tǒng)會自動進行預(yù)警警示，進而結(jié)合監(jiān)控進行車輛超重超速抓拍。

5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要功能[2]：

(1)遠程控制硬件。為了遠程調(diào)整測試參數(shù)將監(jiān)測系統(tǒng)與硬件設(shè)備相結(jié)合，傳統(tǒng)儀器及系統(tǒng)的介入是為了避免參數(shù)的紊亂。

(2)控制數(shù)據(jù)采集方式。為了滿足不同需求及狀況，進行實時監(jiān)控、定時采集、特殊狀況采集等自動采集方式，也可進行人工干預(yù)控制采集。

(3)數(shù)據(jù)分析功能。主要對數(shù)據(jù)進行分析處理，其中包括結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、結(jié)構(gòu)的健康評估等功能。

(4)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)進行自動預(yù)警時結(jié)構(gòu)存在安全隱患，報警的形式有實時界面提示、報表等。

6 結(jié) 語

斜拉橋作為現(xiàn)代社會交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對國家經(jīng)濟發(fā)展極為重要。隨著越來越多大跨度的斜拉橋涌現(xiàn)，隨之而來的是由于養(yǎng)護工作不到位、行駛車輛超載等原因而導(dǎo)致的橋梁事故和結(jié)構(gòu)損傷。因此，有必要借助健康監(jiān)測技術(shù)采集的海量數(shù)據(jù)，利用合理的預(yù)警及安全評估系統(tǒng)，對橋梁安全事故進行健康監(jiān)測，并為養(yǎng)護工作提供參考依據(jù)[10]。