大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 春，陳 超，夏宏達(dá),楊曉燕

(1. 中電建路橋集團(tuán)有限公司，四川成都 610300，2. 西南交通大學(xué)，四川成都 610000; 3. 中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430034)

橋梁建成使用后的健康狀態(tài)越來越受到人們的關(guān)注，自20世紀(jì)80年代起發(fā)達(dá)國家陸續(xù)建立起多種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)；20世紀(jì)末21世紀(jì)初隨著我國基建項目的大量實施，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在我國開始被使用[1-3]。截止目前，我國已經(jīng)在包括江陰大橋、虎門大橋、南京長江大橋、蘇通大橋在內(nèi)的多座橋梁上建立健康監(jiān)測系統(tǒng)。以2009年建成的武漢長江大橋為例，該系統(tǒng)具備完整的數(shù)據(jù)管理查詢、安全評估和報警功能，運行情況良好、可操作性強(qiáng)[4]。這些系統(tǒng)針對的多為懸索橋、斜拉橋或鋼橋，對于連續(xù)剛構(gòu)橋的健康監(jiān)控系統(tǒng)布置較為少見。本文結(jié)合赤水河大橋的工程實際情況，建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對連續(xù)剛構(gòu)橋由溫度梯度引發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)健康問題和橋上車輛荷載確定問題進(jìn)行了一定的探索。

1 赤水河大橋工程概況

赤水河大橋該橋起于K21+741.00，止于K22+359.00，大橋全長618 m。合江岸位于R=600m緩和曲線上，瀘州岸位于直線上。全橋大部分位于單向2.7 %的縱坡上。路線采用整幅設(shè)計，橋梁采用分幅設(shè)計。

赤水河大橋跨徑組合為4×40 mT梁+(105+200+105) m連續(xù)剛構(gòu)+1×40 m預(yù)應(yīng)力簡支T梁，主橋為(105+200+105) m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為分幅式單箱單室截面(圖1)。

圖1 赤水河大橋橋型布置(單位:cm)

赤水河大橋為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其剛度大，橋面平順，結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量少，在運營過程中容易出現(xiàn)混凝土收縮裂縫，基礎(chǔ)發(fā)生沉降，預(yù)應(yīng)力損失造成溫度裂縫與橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的耦合作用，使得橋梁劣化速度加快。因此系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的技術(shù)特點，針對性的設(shè)計溫度、應(yīng)力、撓度的監(jiān)測項目及指標(biāo)，實時監(jiān)測橋梁的運營環(huán)境以及結(jié)構(gòu)受力特點。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對大橋運營狀況和病害損傷的長期監(jiān)測與評估，為保證橋梁本身運營安全和橋上行車安全，及時發(fā)現(xiàn)并消除橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患，提高對大橋科學(xué)養(yǎng)護(hù)和維修的技術(shù)水平提供有力的技術(shù)支持。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體要求

長期監(jiān)測技術(shù)是結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、傳感器技術(shù)以及橋梁科學(xué)的多學(xué)科交叉融合的綜合性技術(shù)。將各個學(xué)科技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過在赤水河大橋上進(jìn)行綜合，實現(xiàn)大橋的長期監(jiān)測。

赤水河大橋長期監(jiān)測是以現(xiàn)階段橋梁長期監(jiān)測發(fā)展的積累的技術(shù)成果之上進(jìn)行的一套監(jiān)測系統(tǒng)，將成橋荷載試驗的結(jié)果以及在橋梁長期運營過程中的檢測結(jié)果等內(nèi)容作為橋梁長期監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也包含了橋梁長期運營過程中的監(jiān)測成果。

針對赤水河大橋的橋梁特點，以及橋梁的荷載特點，切合實際的制定該橋長期監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，為該橋量身定做一套長期監(jiān)測系統(tǒng)，探尋橋梁劣化原因及保障橋梁運營安全，構(gòu)建的赤水河大橋的長期監(jiān)測系統(tǒng)擬達(dá)到如下目標(biāo)：

(1)實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)運營期維護(hù)的人力成本，增加系統(tǒng)運營的連續(xù)性，為橋梁評估提供充分的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

(2)實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠及兼容性，保證傳感器具有一定的冗余程度，以及實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)維護(hù)更容易，方便。

(3)考慮到剛構(gòu)橋在溫度梯度下可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，對橋梁所處環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，實時掌握橋梁工作環(huán)境狀況，并為分析環(huán)境因素對橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)的影響提供基礎(chǔ)資料。

(4)通過橋梁準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測方式記錄橋梁運營期的荷載響應(yīng)，實現(xiàn)對橋梁運營狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力等狀態(tài)參量監(jiān)測，掌握橋梁實際力學(xué)行為和使用狀況。

(5)通過web-gis技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄及查看，并實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程可控，遠(yuǎn)程可維護(hù)，通過B-S技術(shù)，使系統(tǒng)操作性更靈活，登錄更快捷，頁面更友好，使用體驗感更舒適。

(6)通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，建立科學(xué)有效的自動化結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警及安全評估機(jī)制和軟件系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時對異常結(jié)構(gòu)響應(yīng)實施預(yù)警報警，并對結(jié)構(gòu)安全和正常使用狀況進(jìn)行評估。

3 傳感器構(gòu)成與布置

3.1 傳感器布設(shè)方法

為合理確定傳感器位置，建立全橋有限元模型對橋梁易損位置進(jìn)行分析，考慮結(jié)構(gòu)溫度梯度[5]與車輛活載的影響，找到最大變形位置，相應(yīng)的布置傳感器。橋梁模態(tài)監(jiān)測測點的選取需參考模態(tài)分析結(jié)果。

赤水河大橋的監(jiān)測內(nèi)容主要包括以下幾項：

(1)橋址環(huán)境參數(shù)監(jiān)測：環(huán)境參數(shù)監(jiān)測主要包括橋址處溫度監(jiān)測及橋面車輛運營狀況監(jiān)測。溫度監(jiān)測采用結(jié)構(gòu)溫度傳感器，運營狀況監(jiān)測采用高清攝像頭。

(2)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測：結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)主要包括主梁的下?lián)霞傲后w伸縮及位移監(jiān)測。建立主橋的有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)溫度梯度和車輛活載情況下的主橋撓度如圖2所示，中跨最大撓度出現(xiàn)在跨中位置，邊跨最大撓度出現(xiàn)在距支座42 m位置。以此作為撓度測點布置依據(jù)進(jìn)行傳感器布置。分別采用高精度撓度傳感器及高精度位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 考慮結(jié)構(gòu)溫度梯度與車輛活載主橋撓度

(3)橋梁局部響應(yīng)監(jiān)測：局部響應(yīng)主要為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，采用靜應(yīng)變傳感器監(jiān)測橋梁長期應(yīng)力狀態(tài)，動應(yīng)變傳感器監(jiān)測橋梁在活荷載作業(yè)下的響應(yīng)。

(4)橋梁模態(tài)監(jiān)測：振型監(jiān)測主要依靠振動傳感器來完成，一般布置在主振型最大振幅位置，參考圖3、圖4模態(tài)分析結(jié)果指導(dǎo)振動傳感器的布置。

圖3 中跨一階豎彎

圖4 邊跨一階豎彎+中跨二階豎彎

(5)橋梁運營荷載監(jiān)測：超載是該橋的主要運營風(fēng)險之一，通過設(shè)置在引橋處的動應(yīng)變傳感器對上橋車輛荷載進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)車輛超載率較大時，發(fā)出報警。

為實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的功能監(jiān)測傳感器的選取如表1所示。赤水河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置情況如圖5所示。

圖5 赤水河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站由采集主機(jī)和、若干個采集模塊及配套網(wǎng)絡(luò)組成。振動監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、溫度監(jiān)測和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)輸出RJ45網(wǎng)絡(luò)信號，通過光纖收發(fā)器、網(wǎng)線、工業(yè)交換機(jī)與采集主機(jī)相連，網(wǎng)線距離不超過100 m。健康監(jiān)測系統(tǒng)各個子系統(tǒng)之間的關(guān)系和流程如圖6所示。

本系統(tǒng)主要信號類型有以下幾種：頻率信號：振弦應(yīng)變計等；1-wire總線：數(shù)字溫度計等；電流輸出信號：撓度儀、位

表1 健康檢測系統(tǒng)傳感器匯總

圖6 數(shù)據(jù)采集與傳輸層級分布

移計等；電壓輸出信號：電阻應(yīng)變、加速度計等；以太網(wǎng)輸出信號：高清攝像頭等。

針對不同傳感器輸出信號的不同，需要將傳感器輸出各異的信號采用統(tǒng)一的接口接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，因此必須設(shè)計和采用合理的采集方法和設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以利后端的數(shù)據(jù)傳輸。針對本系統(tǒng)中信號的分類，采集方案如下：

(1)將頻率輸出信號通過振弦采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后輸出RJ45信號，接入以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(2)將1-Wire信號通過溫度采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后輸出RJ45信號，接入以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(3)將電流輸出信號通過電流采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后輸出RJ45信號，接入以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(4)將電壓輸出信號通過動應(yīng)變/振動采集儀(具有信號調(diào)理功能)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后輸出RJ45網(wǎng)絡(luò)信號接入以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(5)RJ45型輸出接口信號直接接入以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3.3 動態(tài)稱重荷載重構(gòu)

現(xiàn)今大部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)對于橋上荷載普遍采取的估計值[4]，對于撓度限制也基本采取規(guī)范要求的最大撓度作為安全評判標(biāo)準(zhǔn)[6]。以赤水河大橋為例，將動態(tài)稱重技術(shù)整合在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中，用以得到更為精確的橋上荷載布置情況。

公路橋梁運營健康狀況監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)采用云平臺方式構(gòu)建，每座橋梁傳感器設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ霉饫w互聯(lián)網(wǎng)接入健康監(jiān)測管理系統(tǒng)平臺。

3.4 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理、管理、交互系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對接橋梁現(xiàn)場的傳感器設(shè)備。該系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖7所示。通過下發(fā)采集指令、接收上報監(jiān)測數(shù)據(jù)的方式，將傳感器數(shù)據(jù)按照配置的解析類型、解算參數(shù)進(jìn)行有效解析，并做基本的解析計算、合理值驗證等，并實時顯示至客戶端，持久化入庫，預(yù)處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計等操作。針對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，并自動按照各類模板要求生成橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)報告報表。數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)主要提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、接口規(guī)范，完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)資源的合理規(guī)劃和設(shè)計，建立有效的存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。整合各類數(shù)據(jù)資源的集中管理，建立數(shù)據(jù)采集傳輸標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)共享使用，保障橋梁數(shù)據(jù)存儲安全。

圖7 數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)專線接入傳感器采集設(shè)備，在云平臺服務(wù)器上分別部署，設(shè)備網(wǎng)關(guān)采集程序、WEB服務(wù)、消息中心、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計服務(wù)，部署基礎(chǔ)核心中間件：Redis消息中間件、Mongodb采集數(shù)據(jù)庫集群、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(ORACLE/MSSQL/MYSQL)等。采用Windows平臺與Linux平臺結(jié)合的方式，構(gòu)件可擴(kuò)展的健康監(jiān)測云平臺。

數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)按照不同的子系統(tǒng)，設(shè)計不同的數(shù)據(jù)庫，如對動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)分別建立數(shù)據(jù)庫分別儲存。各個橋梁數(shù)據(jù)庫之間通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的交叉查詢。

3.5 安全評價系統(tǒng)

安全評估與預(yù)警子系統(tǒng)提供橋梁的基礎(chǔ)信息配置、采集、解算參數(shù)配置、實時監(jiān)測瀏覽、閾值告警、報告報表、設(shè)備自診斷監(jiān)測等功能，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要功能組件，其構(gòu)成及技術(shù)特征如下：

(1)安全狀態(tài)評估與子預(yù)警系統(tǒng)設(shè)在橋隧健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺的服務(wù)器內(nèi)，由結(jié)構(gòu)安全狀況評估服務(wù)器及預(yù)警、評估軟件系統(tǒng)組成。

(2)安全狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)以WEB方式響應(yīng)用戶的請求，訪問動態(tài)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。

(3)安全狀態(tài)評估與預(yù)警子系統(tǒng)管理原始數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫，對結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評價，生成結(jié)構(gòu)安全狀況報告，其中包括：監(jiān)測并報告橋隧環(huán)境、交通荷載及參數(shù)；監(jiān)測并報告橋隧在各種荷載作用下主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況；實現(xiàn)異常狀況下(包括監(jiān)測自然荷載、交通荷載和各類響應(yīng)超限)預(yù)警；分析并報告橋隧主要構(gòu)件的技術(shù)狀況，評估橋隧整體及其各主要構(gòu)件的使用性能。最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，并將分析結(jié)果返回到結(jié)構(gòu)狀態(tài)與狀態(tài)評估服務(wù)器。

4 結(jié)束語

赤水河大橋健康監(jiān)控系統(tǒng)的成功建立是對全天候健康監(jiān)測理論用于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的一次重要嘗試，為結(jié)構(gòu)的運營安全提供了保障，為該類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了借鑒。在此系統(tǒng)的設(shè)計與搭建過程取得以下成果：

(1)以模塊化思想構(gòu)建該系統(tǒng)，統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一安裝，使各 個子系統(tǒng)之間既可以保證高效獨立運行，又可以與其他子系統(tǒng)完美協(xié)同。子系統(tǒng)間都留有冗余接口，使得整個系統(tǒng)在滿足現(xiàn)階段健康監(jiān)控要求的同時也具備可擴(kuò)充和升級的能力。

(2)考慮溫度梯度對連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)的影響，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，得到結(jié)構(gòu)易損位置,以此為基礎(chǔ)合理布設(shè)健康監(jiān)控傳感器。

(3)在引橋布置動態(tài)稱重測點，得到上橋車輛軸重與車速數(shù)據(jù)，完成主橋車輛荷載簡略重構(gòu)。