大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

朱小忠

(福建省交設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州 350007)

處于我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)期建設(shè)的橋梁， 不論是公路系統(tǒng)還是市政系統(tǒng)，多數(shù)橋梁處于“只建不養(yǎng)或養(yǎng)護(hù)管理不到位”或“無(wú)人值守”狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)坍塌，拉索銹蝕突發(fā)斷裂等一系列橋梁災(zāi)害， 后期基本處于被動(dòng)檢測(cè)維修加固的局面。 截至2016 年，我國(guó)已修建的公路橋梁多達(dá)80.53 萬(wàn)座，其中特大橋4257 座，大跨度橋梁的管養(yǎng)工作任重而道遠(yuǎn)。

橋梁運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)測(cè)是橋梁管養(yǎng)工作的重要內(nèi)容，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Bridge Health Monitoring System)普遍應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)， 大橋在建設(shè)初期便可構(gòu)建健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用收集到的特定信息，對(duì)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，能科學(xué)地指導(dǎo)工程決策，實(shí)施有效的保養(yǎng)、維修與加固工作[1]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建仍處于探索及嘗試階段， 該系統(tǒng)的構(gòu)建涉及許多不同的領(lǐng)域，如傳感器技術(shù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊集成技術(shù)等。本文以福州繞城高速公路長(zhǎng)門(mén)特大橋?yàn)槔?依據(jù)建設(shè)單位對(duì)橋梁建設(shè)初期及后期管養(yǎng)的需求，對(duì)該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的傳感器子系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、安全評(píng)估子系統(tǒng)，并結(jié)合人工巡檢數(shù)據(jù)綜合評(píng)估系統(tǒng)的邏輯和可行性。

1 橋梁概況

長(zhǎng)門(mén)特大橋是福州繞城高速公路東南段工程項(xiàng)目中重要控制性工程，跨越閩江，是一座(35+44+66)m+550 m+(66+44+35)m 雙塔雙索面混合梁斜拉橋，邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，橋面寬度38.5 m，該橋斜拉索共136 根，塔柱采用花瓶型橋塔，橋梁跨徑布置如圖1。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

大跨度斜拉橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，宜采用“經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠、科學(xué)合理、兼顧科研”的指導(dǎo)思想：

圖1 長(zhǎng)門(mén)特大橋橋跨布置圖(單位：cm)

(1)面向特大型橋梁養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理需要，兼顧混合梁斜拉橋科研需求等方面因素；

(2)根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)易損性分析，選擇結(jié)構(gòu)易損重點(diǎn)部位及日常養(yǎng)護(hù)難于檢查部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置；

(3)監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇，要從結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的需要和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理需求出發(fā)， 為未來(lái)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估做技術(shù)準(zhǔn)備；

(4) 采用周期監(jiān)測(cè)和定期人工巡檢相結(jié)合的方法，節(jié)約成本，科學(xué)高效[2]。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析

長(zhǎng)門(mén)特大橋?yàn)楦＝êＱ蟮貐^(qū)少有的大跨徑斜拉橋，且屬交通要道， 在橋梁運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)過(guò)程中的主要存在以下幾方面的風(fēng)險(xiǎn)：①臺(tái)風(fēng)，②地震，③車(chē)輛超載，④斜拉索斷裂及腐蝕，⑤鋼橋面板疲勞破壞，⑥主梁線形變化，⑦航道船撞。

對(duì)橋梁耐久性及安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的前提是合理選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，橋梁健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括環(huán)境、荷載、橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)力、 關(guān)鍵控制截面變形、 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等參數(shù)，對(duì)于大跨度混合梁斜拉橋而言，橋跨結(jié)構(gòu)體系相對(duì)復(fù)雜， 健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容的確定需要建立在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特性和受力狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上。

國(guó)內(nèi)目前已建成使用的大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所選擇的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目大致相同， 表1 為面向管養(yǎng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)向?qū)б挥[表以供參考。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目向?qū)б挥[表

2.3 系統(tǒng)組成

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安裝在橋梁上的傳感器以及數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理等軟硬件構(gòu)成，對(duì)橋梁的荷載與環(huán)境作用以及橋梁結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、收集、處理、分析，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)正常使用水平與安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)警[3]。

(1)傳感測(cè)試子系統(tǒng)包括3 大模塊：①傳感器模塊。通過(guò)傳感器將各類(lèi)監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電(光)信號(hào)。②數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。 將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并完成遠(yuǎn)程傳輸。③數(shù)據(jù)處理與控制模塊。 將監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以及二次處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的信息源或力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)定程序控制監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集。

(2)中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)：各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲(chǔ)等工作。

(3)用戶界面子系統(tǒng)：將各種數(shù)據(jù)向用戶展示，并接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入。

(4)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)：主要功能是通過(guò)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境參數(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)， 對(duì)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(shí)進(jìn)行預(yù)警，提供報(bào)警信號(hào)，提醒管養(yǎng)人員關(guān)注結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全狀況， 及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，保障結(jié)構(gòu)安全正常運(yùn)行。

2.4 工作流程

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程， 其工作流程示意如圖2 所示：

圖2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

長(zhǎng)門(mén)特大橋?yàn)殡p塔雙索面混合梁斜拉橋， 邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，斜拉索共136 根，采用空間扇形雙索面布置形式，南、北塔兩側(cè)各17 對(duì)索。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)門(mén)特大橋結(jié)構(gòu)受力及地理環(huán)境的分析， 初步確定其安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表2 所示：

3.2 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器的性能參數(shù)， 應(yīng)符合行業(yè)的一般要求及主流設(shè)備的性能，對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器設(shè)備的使用壽命一般要求在20～30 年。 長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)見(jiàn)表3：

表2 長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表

表3 長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器設(shè)備

3.3 傳感器的布置原則

(1)布置在反映結(jié)構(gòu)受力最不利位置處；

(2)傳感器安裝位置宜具備便于安裝或更換條件；

(3)合理利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性原則，達(dá)到減少傳感器的目的；

(4)應(yīng)兼顧傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，因此傳感器的布置應(yīng)有一定冗余；

(5)應(yīng)對(duì)已安裝的傳感器采取保護(hù)措施，使其不受溫濕度、雷擊及干擾源(電源、電磁)等環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

3.4 測(cè)點(diǎn)布置方案

(1)風(fēng)速監(jiān)測(cè)：選擇在索塔頂布設(shè)1 臺(tái)機(jī)械風(fēng)速儀和在主跨跨中橋面布設(shè)1 臺(tái)三向超聲風(fēng)速儀(圖3 左)。

(2)溫濕度監(jiān)測(cè)：選擇在北索塔上部塔橫梁布設(shè)2 個(gè)、南索塔上部塔橫梁2 個(gè)、主跨北側(cè)主梁1 個(gè)、主跨南側(cè)主1 個(gè)、主跨跨中2 個(gè)溫濕度儀(圖3 右)。

圖3 機(jī)械式風(fēng)速儀、溫濕度儀

(3)腐蝕監(jiān)測(cè)：選擇索塔處橋墩位置進(jìn)行混凝土耐久性腐蝕進(jìn)程監(jiān)測(cè)，分別在南、北兩側(cè)索塔處橋墩墩臺(tái)布設(shè)1 個(gè)腐蝕計(jì)。

(4)雨量監(jiān)測(cè)：在主梁跨中位置布設(shè)一臺(tái)雨量計(jì)。

(5)地震及船舶監(jiān)測(cè)：選擇在南、北側(cè)索塔承臺(tái)頂部布設(shè)1 臺(tái)三向加速度計(jì)。

(6)結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側(cè)主跨鋼箱梁截面、南側(cè)主跨混凝土箱梁截面、南側(cè)邊跨混凝土箱梁截面分別布設(shè)16 個(gè)光纖光柵溫度計(jì)。

(7)結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側(cè)主跨鋼箱梁截面、南側(cè)主跨混凝土箱梁截面、南側(cè)邊跨混凝土箱梁截面分別布設(shè)16 個(gè)光纖光柵應(yīng)變計(jì)(圖4)。

圖4 光纖光柵應(yīng)變計(jì)

(8)兩端位移監(jiān)測(cè)：選擇在主橋兩側(cè)端部位置分別布設(shè)4 個(gè)位移計(jì)。

(9)主塔位移監(jiān)測(cè)：選擇在南、北索塔頂分別布設(shè)1 臺(tái)GPS 測(cè)站，在橋址穩(wěn)固位置布置1 臺(tái)GPS 參考站。

(10)主梁撓度監(jiān)測(cè)：選擇在北側(cè)索塔處主梁、主跨1/8跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨、主梁、南側(cè)索塔處主梁布設(shè)2 個(gè)壓力變送器。

(11)塔梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)：選擇在北側(cè)索塔塔頂上下游、南側(cè)索塔塔頂上下游、北側(cè)索塔處主梁、主跨1/8 跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁、主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨主梁及南側(cè)索塔處主梁布置單向加速度計(jì)。

(12)斜拉索索力監(jiān)測(cè)：從經(jīng)濟(jì)角度及相鄰斜拉索索力變化的相關(guān)性考慮，索力加速度計(jì)(圖5)宜間隔4～5 個(gè)拉索錯(cuò)開(kāi)布置。

(13)交通荷載布置：運(yùn)營(yíng)狀態(tài)需加強(qiáng)有關(guān)車(chē)流量、重量的監(jiān)測(cè)，故從荷載的源頭上加以控制，確保橋梁的正常安全運(yùn)營(yíng)， 選擇在北側(cè)主橋上橋處布設(shè)1 套動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)。

圖5 壓力式索力傳感器

(14)交通視頻監(jiān)測(cè)：視頻監(jiān)控可以對(duì)運(yùn)營(yíng)期大橋的交通車(chē)輛及航道通流量進(jìn)行監(jiān)控， 在主橋北側(cè)上橋處布設(shè)2 臺(tái)高清攝像機(jī)；選擇在主橋南、北索塔下部各布置1 臺(tái)高清攝像機(jī)。

長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)布置如圖6 所示。

圖6 長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)圖

4 運(yùn)營(yíng)期橋梁人工巡檢

4.1 必要性

傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)， 這種方式不僅產(chǎn)生了高額的設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)費(fèi)用， 而且得到的海量數(shù)據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法充分有效處理。 長(zhǎng)門(mén)特大橋監(jiān)測(cè)工作宜采用周期監(jiān)測(cè)和定期人工巡檢相結(jié)合的方法， 周期性地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 監(jiān)測(cè)時(shí)間可根據(jù)需要擬定，非關(guān)鍵時(shí)期可采用人工定檢，輔助在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性分析判斷，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔再次啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 主要措施及內(nèi)容

依照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)[4]的相關(guān)要求對(duì)長(zhǎng)門(mén)特大橋運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)外觀缺陷、 結(jié)構(gòu)銹蝕狀況及主要受力結(jié)構(gòu)變化狀況實(shí)施定期人工巡檢， 人工巡檢的主要措施及內(nèi)容如下：

(1)通過(guò)橋梁經(jīng)常檢查、定期檢查和專(zhuān)項(xiàng)檢查，調(diào)查橋梁的表觀缺陷，例如：橋面鋪裝層縱、橫坡是否順適、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕狀況、斜拉索的表面封閉、防護(hù)狀況、索力變化狀況、錨頭內(nèi)部銹蝕積水狀況、支座的老化、開(kāi)裂狀況等。

(2)通過(guò)人工巡檢檢查結(jié)果，對(duì)橋梁總體及主要構(gòu)件技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定， 向橋梁管養(yǎng)人員提出養(yǎng)護(hù)維修建議及病害處置措施，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命全方位管養(yǎng)。

(3)人工巡檢的檢查頻率，宜每半年1 次。特大橋梁綜合評(píng)估(綜合利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)及定期檢測(cè)的數(shù)據(jù))通常1 年定期進(jìn)行1 次。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)門(mén)特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 充分考慮了橋梁自身結(jié)構(gòu)特性及環(huán)境影響， 在研究了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上， 按照經(jīng)濟(jì)適用的原則對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)多位專(zhuān)家論證后，確定該方案科學(xué)有效。 長(zhǎng)門(mén)特大橋于2019 年9 月29 日建成通車(chē)， 其跨徑在同類(lèi)橋梁中居全國(guó)第一、世界第二，此次的設(shè)計(jì)方案也直接被采用于長(zhǎng)門(mén)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)建當(dāng)中。