某鋼拱塔斜拉橋信息化監(jiān)測方案研究

黃 樺

福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000

1 前言

某鋼拱塔斜拉橋長453.0m，主橋采用鋼拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為50+60+110+110+60+50m。全橋橋面連續(xù)，在兩側(cè)橋臺設(shè)置伸縮縫。主梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，鋼拱塔采用鋼混結(jié)合過度的方式與混凝土拱座相連并固結(jié)與拱座。在對該橋梁進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁伸縮縫局部卡死、箱梁頂板底面和腹板存在大量裂縫、支座組件銹蝕、支座往東偏位等問題。為全面掌握該橋當(dāng)前的受力狀態(tài)及現(xiàn)有病害的發(fā)展情況，以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可控、不可逆的嚴(yán)重?fù)p傷，需要在該橋上安裝一套健康監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行長期不間斷觀測［1-2］。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測設(shè)備中，動態(tài)應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、振動傳感器和傾角計(jì)經(jīng)信號線連接到控制器之后與動態(tài)稱重傳感器采集到的壓電信號和監(jiān)控?cái)z像頭均通過通過線纜傳輸?shù)綑C(jī)箱網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到云服務(wù)器，后續(xù)數(shù)據(jù)的儲存、管理、處理及分析等工作均在云平臺上完成。

3 有限元計(jì)算與測點(diǎn)布設(shè)

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，監(jiān)測的設(shè)置正確與否直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的有效性與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此在進(jìn)行測點(diǎn)布設(shè)前需要對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行詳細(xì)的分析，兼顧該橋既有病害的同時選擇受力較不利截面和變形較大截面作為本次監(jiān)測的重點(diǎn)關(guān)注截面，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果詳見圖2,測點(diǎn)布設(shè)詳見圖3。

4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

4.1 混凝土/鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器

圖2 設(shè)計(jì)荷載作用下的主梁彎矩包絡(luò)圖

圖3 監(jiān)測截面布置示意圖（單位：m）

混凝土主梁、鋼拱塔應(yīng)變監(jiān)測采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)，用于監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)局部受力情況，收集橋梁結(jié)構(gòu)在汽車及溫度荷載作用下的內(nèi)力變化情況，總結(jié)正常使用情況下內(nèi)力變化幅值積累健康監(jiān)測數(shù)據(jù)。振弦應(yīng)變計(jì)的原理是通過測試鋼線弦的振動的頻率來換算鋼弦及被測結(jié)構(gòu)物的微小位移；鋼弦的振動頻率與鋼弦松緊程度成正比，應(yīng)變計(jì)測試時固定在被測物體表面，被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)力改變時產(chǎn)生的微小變形帶動應(yīng)變計(jì)內(nèi)的鋼弦產(chǎn)生松緊變化，進(jìn)而影響鋼弦的振動頻率。弦式應(yīng)變計(jì)具有穩(wěn)定性能好，抗干擾能力強(qiáng)，精度高特點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)布置位置見圖4。

圖4 截面應(yīng)變測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

4.2 振動傳感器

主梁及鋼拱塔振動監(jiān)測采用振動傳感器（加速度傳感器），通過監(jiān)測主梁的振動幅值及振動頻率的變化來評價橋梁動力性能。

4.3 傾角傳感器

橋墩及拱塔變位監(jiān)測采用高精度傾角傳感器，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電器接口4～20mA。產(chǎn)品采用最新的MEMS 高工藝，內(nèi)部采用高分辨率差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器。鋼拱塔是斜拉橋的主要受力部件，拉索將橋面的豎向荷載傳遞給鋼拱塔再集中傳遞給基礎(chǔ)，塔有巨大的豎向承載能力，但抵抗水平荷載能力較弱，因此需要保證其處于穩(wěn)定的豎向狀態(tài)。鋼拱塔傾角測點(diǎn)布置見圖5。

圖5 鋼拱塔傾角測點(diǎn)布置圖（單位：m）

圖6 索力傳感器布置示意圖

4.4 索力計(jì)

斜拉索的索力監(jiān)測可選擇壓阻式加速度傳感器。壓阻式加速度傳感器具有直流響應(yīng)、分辨率高、響應(yīng)速度快、可靠性好、體積小、質(zhì)量輕、噪聲小等特點(diǎn)?？紤]到傳感器必須垂直于索安裝，索力傳感器安裝時需采用定制的安裝夾具。索力采用振動頻率法測量，加速度傳感器將索的隨機(jī)振動信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號經(jīng)放大后送至動態(tài)信號采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄斜拉索的振動基頻并儲存，通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)程序換算斜拉索的拉力。索力傳感器布置示意圖見圖6。

5 信息化監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)云傳輸

現(xiàn)場所有的傳感器通過數(shù)據(jù)線將信號匯總到數(shù)據(jù)采集存儲控制終端，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集終端具備數(shù)據(jù)存儲及上傳功能，采集終端根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并實(shí)時上傳到云平臺數(shù)據(jù)庫。

5.2 數(shù)據(jù)分析處理平臺

數(shù)據(jù)分析處理平臺將現(xiàn)場采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括所有的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，如幾何變位、震動響應(yīng)（含位移、速度、加速度）、構(gòu)件應(yīng)變（力）等；環(huán)境荷載監(jiān)測，如交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、地震及船舶撞擊荷載等；重點(diǎn)病害監(jiān)測，根據(jù)不同橋梁特點(diǎn)，對一些管理部門關(guān)心的橋梁重點(diǎn)病害進(jìn)行監(jiān)測。對各個監(jiān)測項(xiàng)目的詳細(xì)記錄，以圖表形式展示。

5.3 自動預(yù)警

可對每個傳感器設(shè)置預(yù)警閾值，在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時發(fā)出預(yù)警，顯示實(shí)時預(yù)警信息、處理狀態(tài)等，后期可以查詢、統(tǒng)計(jì)等。監(jiān)測信息推送：保存推送的預(yù)警信息，設(shè)置何時預(yù)警、預(yù)警方式、預(yù)警對象、預(yù)警信息推送人員等，可按周/月/季/年度等統(tǒng)計(jì)預(yù)警信息，生成監(jiān)測報(bào)告。

6 結(jié)語

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，屬于特殊結(jié)構(gòu)的橋梁，在定期監(jiān)測中存在較多的病害，由于該橋沒有進(jìn)行健康監(jiān)測，病害的形成時間及近期的發(fā)展情況無法進(jìn)行溯源，無法準(zhǔn)確對病害性質(zhì)進(jìn)行判定。隨著該橋信息化監(jiān)測系統(tǒng)建立，可以對該橋現(xiàn)狀病害進(jìn)行實(shí)時跟蹤，進(jìn)而可以根據(jù)病害的發(fā)展情況對病害的性質(zhì)進(jìn)行判定并進(jìn)行處理，達(dá)到對該橋進(jìn)行科學(xué)管養(yǎng)的目標(biāo)。同時根據(jù)積累的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及該橋的病害特點(diǎn)，可以總結(jié)出該類型橋梁的病害特點(diǎn)與防治措施，可以對同一類型的橋梁的養(yǎng)護(hù)及設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而提升整個行業(yè)的鋼拱塔斜拉橋的養(yǎng)護(hù)與設(shè)計(jì)水平。