上承式鐵路拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

章玉偉，顏永逸

(1.四川省軌道交通投資有限責任公司，四川成都，610023；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都，610031)

橋梁結構經(jīng)過長期運營，由于自然侵蝕、材料老化以及荷載的反復作用、疲勞與沖擊效應等因素的綜合作用，不可避免地會產(chǎn)生損傷和抗力衰減，嚴重時還可能造成結構破壞從而引發(fā)安全事故[1]。為把握大型橋梁結構在運營過程中的承載能力、安全狀態(tài)和剩余壽命，避免發(fā)生突發(fā)事故，許多國內(nèi)外重大型橋梁都建立了結合自身特點的健康監(jiān)測系統(tǒng)[2-6]。隨著現(xiàn)代化傳感、通信、控制技術的不斷發(fā)展，結構健康監(jiān)測技術也得到了更進一步的提升和更廣闊的應用[7-9]。

上承式拱橋由于其自身的跨越能力強、剛度大、適應力強，在西南山區(qū)的鐵路系統(tǒng)中大量應用。本文背景工程為某主跨340 m的上承式鐵路拱橋，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結構，大橋全長687.8 m。引橋及拱上孔跨布置為：2-65 m T構+(3-29.60+28.80)m預應力混凝土連續(xù)梁+(28.8+2×29.6+28.8)m預應力混凝土連續(xù)梁+(28.8+3-29.60)m預應力混凝土連續(xù)梁+(44+72+44)m預應力混凝土連續(xù)梁。由于大橋為采用勁性骨架施工法的大跨度鋼筋混凝土拱橋，此種施工方法工序繁雜，結構體系需要發(fā)生多次轉換。此外，同一斷面結構的剛度和強度是逐步形成的，也使得大橋后期的收縮徐變變形變得非常復雜，因此，本文以該大橋為背景，探討了上承式拱橋結構的健康監(jiān)測設計關鍵技術，可供同類工程的監(jiān)測系統(tǒng)設計參考。

1 結構受力計算

在進行結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計前，對結構的靜動力分析是十分必要的。通過對結構的變形、應力以及自振特性等進行分析，可以確定和優(yōu)化后續(xù)監(jiān)測內(nèi)容和測點布置方案。因此，本橋通過有限元模擬分析得到的部分計算結果如下。

1.1 部分靜力計算結果

由表1可知，成橋時，主力+附加力工況下鋼管應力最大值為325 MPa，管內(nèi)混凝土最大應力為24.4 MPa，拱圈混凝土最大壓應力15.0 MPa，出現(xiàn)在拱腳底板附近，最小壓應力為2.7 MPa，出現(xiàn)在拱腳頂板附近。

由表2可知，在ZK豎向靜活載作用下，主跨跨中最大豎向位移為29.1 mm，1/4跨附近最大豎向位移為36.8 mm；在0.63倍ZK活載+溫度組合作用下1/2主拱圈撓度為90.9 mm，1/4主拱圈撓度為80.3 mm。

表1 成橋時拱圈結構應力計算結果 MPa

表2 列車活載與溫度荷載組合作用下主梁豎向撓度值 mm

1.2 部分動力計算結果

成橋狀態(tài)自振特性見表3。

表3 成橋狀態(tài)自振特性結果

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

2.1 設計原則

為使大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)成為一個功能強大，滿足橋梁養(yǎng)護管理和運營的需要，同時又具經(jīng)濟效益的結構健康監(jiān)控系統(tǒng)，遵循如下設計原則：

(1)遵循簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟合理的指導思想。

(2)根據(jù)結構易損性分析的結果及養(yǎng)護管理的需求進行監(jiān)測點的布設。

(3)監(jiān)測與結構安全性密切相關內(nèi)容，主要監(jiān)測一些有代表性的構件、必須進行監(jiān)測的重要結構以及日常養(yǎng)護無法檢查或檢查非常困難的結構響應。

(4)從動力、靜力對結構進行監(jiān)測，力求用最少的傳感器和數(shù)據(jù)量完成工作。

(5)以結構位移監(jiān)測為主，以應力、模態(tài)分析為輔助。

(6)系統(tǒng)應具有可擴展性。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容與方案

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計原則，結合該橋的技術難點以及結構計算分析結果，該大橋健康監(jiān)測內(nèi)容主要有四個方面：

2.2.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測應包括風荷載、空氣溫度與相對濕度監(jiān)測等內(nèi)容。風荷載是橋梁的重要荷載源，尤其是對結構橫向振動的影響不容忽略。溫濕度荷載也是橋梁和軌道結構的主要荷載源，環(huán)境溫度作用可使結構產(chǎn)生較大的變形，影響結構應力變化，同時濕度也是影響混凝土徐變和強度的重要因素，改變構件的結構耐久性。

2.2.2 橋面平順性監(jiān)測

橋面平順性監(jiān)測分為兩個方面：

(1)豎向變形監(jiān)測。高速鐵路軌道平順性要求高，需要對橋面的豎向變形進行監(jiān)測，以實時監(jiān)測由于拱圈徐變變形及溫度變化所引起的拱上梁豎向變形值。

(2)梁端轉角和拱上立柱傾斜監(jiān)測。拱圈在溫度變化及長期徐變情況下，會產(chǎn)生較大的上抬或下?lián)献冃?，變形傳遞至拱上立柱，使得立柱發(fā)生水平和豎向位移，當水平位移較大時，會對拱上梁和支座產(chǎn)生較大影響。同時，為防止梁端轉角過大造成扣件系統(tǒng)失效，需對拱上梁梁端轉角進行監(jiān)測。

2.2.3 拱圈結構受力監(jiān)測

外包混凝土采用分環(huán)分段的方法澆筑，由于澆筑時間的不同，使得各環(huán)(面)混凝土的齡期差異大，同一截面的應力水平隨著分環(huán)澆筑時間的不同而不同，使得收縮徐變對拱的內(nèi)力分布有影響，而拱圈的受力是整個結構的關鍵，因此需要對拱圈的受力特性進行監(jiān)測。

2.2.4 結構動力特性監(jiān)測

任何結構都可看作是由剛度、質量、阻尼等結構特性參數(shù)組成的動力學系統(tǒng)。當結構出現(xiàn)損傷時，結構的動力特征(頻率、阻尼等)也會隨之將發(fā)生改變。因此，動力特性改變可認為是結構狀態(tài)發(fā)生變化的標志。此外，結構振動水平的大小還直接影響高速行車的舒適性。

整個監(jiān)測系統(tǒng)的初步測點布置如圖1所示。測點的布置說明見表4。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置示意(單位：cm)

表4 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置

3 系統(tǒng)框架設計

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由五大部分組成(圖2)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)架構

3.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，是獲得結構信息的關鍵。主要包括光纖光柵應變傳感器、傾角傳感器、靜力水準儀、加速度傳感器、風速風向傳感器和溫濕度傳感器。這些傳感器是感知、采集、轉換和處理各種信息的必要器件，提供結構監(jiān)測所需的最基本、最直觀的信息，關系到整個系統(tǒng)的質量和效果。

3.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由布置在橋梁箱梁內(nèi)和橋面上的調理設備、采集設備、采集計算機和傳感器電纜網(wǎng)絡等組成。其主要功能為：

(1)依據(jù)采集頻率要求，控制傳感器對結構信息采集。

(2)根據(jù)信號需要信號的轉換和調理。

(3)對采集的數(shù)據(jù)進行本地的存儲和預處理。

(4)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。

結合本橋的特點和傳感器的布設方式，對于應變傳感器采用光纖光柵解調儀通過光纖進行采集控制，其他傳感器均采用自主開發(fā)的無線組網(wǎng)采集儀進行采集，通過有線與無線的結合，有效的保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性和靈活性，并且節(jié)省了線纜布設，減少了布設線纜過程的不必要的麻煩。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負責傳輸各個采集單元的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，主要由通信網(wǎng)絡和通信協(xié)議組成。

3.4 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)包括對數(shù)據(jù)進行預處理、后處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)顯示等數(shù)據(jù)管理和控制工作，此處還部署有結構的安全評估與分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)的預處理主要進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，計算設定時段內(nèi)極值、均值、方差和變化幅值等相關統(tǒng)計量，用以初步判斷數(shù)據(jù)是否異常，作為基本預警信息的輸入，初步判斷結構是否有變化。

數(shù)據(jù)的后處理主要是對數(shù)據(jù)的時頻域分析、相關性分析、趨勢分析等，以便對結構的狀態(tài)進行把握，并預測其發(fā)展趨勢，這是作為性能評估的重要依據(jù)，該過程大多為離線處理，計算資源消耗較大，耗時相對較長。

結構的安全評估與分析系統(tǒng)是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要以分析結構的狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)損傷為目標。整個系統(tǒng)分為在線評估和離線評估兩部分，在線評估主要依據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計和趨勢分析，設定合理的監(jiān)測預警值，在結構發(fā)生異常時，給出有效的警報。通過對各個監(jiān)測指標的分析，利用層次分析法建立評價體系，結合相關規(guī)范和結構自身特點設置指標權重，全面綜合的得到橋梁的健康狀態(tài)。離線評估是對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的高階分析，通過基于模型和基于數(shù)據(jù)的方法，綜合分析和確定結構的安全狀態(tài)。整個系統(tǒng)將產(chǎn)生季度評估報告、年度評估報告和突發(fā)事件評估報告，以對結構的安全性、耐久性進行定性或定量的評估。

3.5 輔助支持系統(tǒng)。

由橋梁外場及監(jiān)控中心輔助上述系統(tǒng)正常運行的設備組成，包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監(jiān)控等子系統(tǒng)。

4 結束語

本文以某上承式鐵路拱橋為例，根據(jù)大橋的特點，結合養(yǎng)護與管理的需求，設計了符合該橋自身特點的健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容合理，架構科學，針對性強，通過實時獲取橋梁結構在運營過程中的響應，分析和評估結構的安全狀態(tài)，能夠幫助運營部門分析和控制大橋的安全風險，提高管養(yǎng)的水平和效率，可供國內(nèi)同類型的工程參考。