在役部分斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蔣國富，郭 龍，王龍林，郝天之

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計院試驗檢測中心，河北 石家莊 050091)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，橋梁建設(shè)規(guī)模獲得前所未有的發(fā)展，截至2017年底，我國已建成的橋梁數(shù)量超過83萬座[1]。但一些橋梁由于設(shè)計和施工存在缺陷，管理和養(yǎng)護不合理等，以及超載、酸雨、地震等人為和自然因素的影響，致使橋梁出現(xiàn)各種損傷，甚至嚴重威脅到橋梁的安全運營。近年來，我國橋梁坍塌事故頻發(fā)，造成了重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。由于橋梁坍塌前無明顯征兆，災(zāi)害通常是猝不及防的，因此如何提前識別橋梁損傷、預(yù)判橋梁危險是亟需解決的問題。橋梁結(jié)構(gòu)的損傷通常分兩類，即：突發(fā)性損傷和累積性損傷。為識別和預(yù)判橋梁健康狀況，1997年美國的Housner教授提出了健康監(jiān)測的定義，即：通過實時、連續(xù)的無損傳感器監(jiān)測技術(shù)收集橋梁在各種荷載和荷載激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對此進行分析以識別結(jié)構(gòu)損傷，判斷損傷位置，確定損傷程度，最后對結(jié)構(gòu)的健康狀況做出評估[2]。健康監(jiān)測能夠在突發(fā)性損傷發(fā)生時及時做出判斷和警報，以便采取處理措施，防止發(fā)生進一步的破壞和引發(fā)其它事故；同時能夠定期對累積損傷的狀態(tài)做出描述，預(yù)判損傷發(fā)展趨勢，以便根據(jù)情況采取相應(yīng)措施，避免發(fā)生更大的損失和人員傷亡。國外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可以追溯到20世紀80年代[3]。我國在這一領(lǐng)域的研究比國外晚約十年。21世紀后，我國大跨徑懸索橋、斜拉橋開始成規(guī)模建設(shè)，部分新建橋梁在建造時同步設(shè)計和建立了相應(yīng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。因此，在新建橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域，我國已經(jīng)積累了相當豐富的設(shè)計、實施和研究經(jīng)驗。

屢次在役橋梁安全事故表明，在橋梁結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)需要實時掌握結(jié)構(gòu)性能和控制結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的風險[4]。由于傳統(tǒng)的經(jīng)常性和定期檢查方法對橋梁檢查具有時間間斷性，不能很好地對結(jié)構(gòu)突發(fā)性損傷作出實時評估和對累積損傷作出及時的預(yù)判，設(shè)計安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)變得非常必要。林著惠[5]以建成于1971年的烏龍江大橋為監(jiān)測對象，對在役大型T構(gòu)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究；2015年蘇交科集團成立了“在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室”，專門針對在役大跨徑橋梁安全狀態(tài)進行監(jiān)測和研究，為大橋的安全服役提供實時預(yù)警、健康與損傷狀態(tài)評估；橋梁健康監(jiān)測技術(shù)作為橋梁工程領(lǐng)域新興的分支，已逐漸成為一個熱門研究方向[6]，但在役部分斜拉橋的健康監(jiān)測案例很少，且能查閱到的研究資料大多較為抽象，為更加形象和具體地介紹在役部分斜拉橋的健康監(jiān)測，本文以廣東省某座特大型部分斜拉橋為依托，對健康監(jiān)測智慧云系統(tǒng)進行設(shè)計、施工和運行，并對設(shè)計和運行中出現(xiàn)的問題進行分析和優(yōu)化。

1 工程背景

某橋上部結(jié)構(gòu)為(108+208+108)m雙幅部分斜拉橋，半幅橋?qū)?0.5 m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室直腹斷面，橋面鋪裝為水泥混凝土。結(jié)構(gòu)體系為墩塔梁固結(jié)體系，橋塔采用鋼筋混凝土“Ⅲ”型塔，橋面以上塔高28 m，144根斜拉索。主橋采用實體橋墩，過渡墩采用雙柱式墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)(圖1)。

自2017年至2018年連續(xù)兩年對大橋進行定期檢查，發(fā)現(xiàn)橋面存在大量縱向、橫向裂縫和坑洞，斜拉索系統(tǒng)護套破損、永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器螺栓松動、缺失，箱梁內(nèi)部滲水泛堿、混凝土露筋銹蝕、縱向裂縫，索塔露筋銹蝕和裂縫等病害。典型病害見圖2和圖3。

圖2 阻尼器螺栓缺失Fig.2 Missing of damper bolt

圖3 箱梁內(nèi)部滲水泛堿Fig. 3 Seepage and alkali in box girder

為該橋在運營階段建立一套合理的健康監(jiān)測系統(tǒng)，當橋梁發(fā)生損傷時，監(jiān)測系統(tǒng)能及時發(fā)出預(yù)警信號，以便于橋梁養(yǎng)護部門能夠有針對性地及時進行維修和處理，而不是僅單純依靠外觀檢查的簡易方法，得到粗糙的結(jié)果進行不切要害的養(yǎng)護。因此，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)形式、跨徑及監(jiān)測信息的重要程度，為該橋設(shè)計了在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 斜拉橋立面圖和近況照片(單位：cm)Fig.1 Elevation and recent photo of cable-stayed bridge

2 系統(tǒng)設(shè)計

本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)建主要包括監(jiān)測內(nèi)容、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、智慧監(jiān)測云網(wǎng)平臺(系統(tǒng)集成)。該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)建示意圖見圖4。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure chart of the monitoring system

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計首先要解決監(jiān)測參數(shù)的確定，參數(shù)的選擇是否正確關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)正確的評估，即關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)是否能正常發(fā)揮其作用[7]。針對該斜拉橋結(jié)構(gòu)體系特征，本次健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測內(nèi)容為結(jié)構(gòu)響應(yīng)、環(huán)境因素和動力特性。其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)包括主梁應(yīng)變、橋塔應(yīng)變、主梁撓度和縱飄、裂縫寬度及斜拉索索力；環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、風速風向；動力特性為橋梁模態(tài)分析。

2.2 傳感器類型

監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測功能利用傳感系統(tǒng)實現(xiàn)，傳感器測點布置對系統(tǒng)運行的效率和功能都會產(chǎn)生直接影響[8]。傳感器的選擇主要考慮精度滿足要求，長期監(jiān)測耐久性好、不易損壞，性能先進可靠，信號采集穩(wěn)定，易于維修和更換。與監(jiān)測內(nèi)容對應(yīng)的傳感器見表1，部分傳感器見圖5—圖8。

表1 監(jiān)測內(nèi)容和傳感器

圖5 靜力水準儀Fig.5 Static level

圖6 智能數(shù)碼測縫計Fig. 6 Intelligent digital seam meter

圖7 索力監(jiān)測傳感器Fig.7 Monitoring sensor of cable force

圖8 加速度拾振器Fig. 8 Acceleration pickup

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為現(xiàn)場傳輸和遠程傳輸[9]?，F(xiàn)場傳輸是指傳感器到數(shù)據(jù)監(jiān)測儀的有線傳輸，遠程傳輸是指數(shù)據(jù)監(jiān)測儀至數(shù)據(jù)中心的無線傳輸。依據(jù)橋址處環(huán)境條件，該健康監(jiān)測系統(tǒng)采用現(xiàn)場傳輸與遠程傳輸相結(jié)合的方式,見圖9。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸方式結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure chart of data transmission mode

其中無線傳輸基于移動通信基站，每日數(shù)據(jù)采集量G與DTU每月最大數(shù)據(jù)傳輸極限值相關(guān)，本系統(tǒng)設(shè)定每日數(shù)據(jù)采集量如下：

(1)對于靜態(tài)數(shù)據(jù)

G=m×h×j×l×p

式中：G為數(shù)據(jù)存儲大小(單位：kB)；m為傳感器數(shù)量(單位：個)；h為每日采集時間(單位：h)；j為每小時采集次數(shù)(單位：次)；l為每次采集條數(shù)(單位：條)；p為每條數(shù)據(jù)大小(單位：kB)。

主梁和橋塔應(yīng)力：G1=6 912 kB；主梁撓度：G2=2 160 kB；主梁縱飄：G3=1 728 kB；主梁裂縫寬度:G4=1 080 kB；風速風向:G5=216 kB；溫度濕度:G6=1 080 kB。

靜態(tài)數(shù)據(jù)每日采集數(shù)據(jù)總量：

(2)對于動態(tài)數(shù)據(jù)

G=m×f×h×p

式中：f為每秒數(shù)據(jù)條數(shù)(單位：條)。

主梁振動：G7=7 372 800 kB；斜拉索索力：G8=13 271 040 kB。

根據(jù)以上計算結(jié)果，每日動態(tài)數(shù)據(jù)量非常大。如果全部數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲起來，不但會給軟件的通信過程帶來壓力，也會嚴重消耗工控機和服務(wù)器的硬盤空間，還會造成WEB端的數(shù)據(jù)刷新出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象[10]。為提高儲存空間利用率，連續(xù)采樣512個數(shù)據(jù)，記為一組數(shù)據(jù)，標記一個起始時間，一個結(jié)束時間，一個頻率的算法。壓縮后得到動態(tài)數(shù)據(jù)量：G7=7.3 MB；G8=13.2 MB。

依據(jù)數(shù)據(jù)日傳輸總量、監(jiān)測儀接口及監(jiān)測因素，本次系統(tǒng)共采用7個DTU模塊進行遠程數(shù)據(jù)無線傳輸。

2.4 智慧監(jiān)測云網(wǎng)

智慧監(jiān)測云網(wǎng)平臺是根據(jù)該橋長期在線監(jiān)測的需求基于B/S架構(gòu)開發(fā)的，包含PC端和移動APP端。云網(wǎng)平臺能夠?qū)⒋髽驊?yīng)力應(yīng)變、撓度、模態(tài)、溫濕度、裂縫等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和處理，是大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分。該平臺主要功能見圖10。

圖10 系統(tǒng)平臺功能結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Functional structure of system platform

(1)項目信息：存儲橋梁信息，跟進系統(tǒng)動態(tài)，記錄關(guān)鍵信息。

(2)設(shè)備管理：設(shè)置傳感器采樣周期，系統(tǒng)用紅色離線和綠色在線判斷傳感器在線情況。

(3)測點信息：對測點、監(jiān)測因子等進行管理，依據(jù)規(guī)范和理論計算結(jié)果設(shè)置兩級安全預(yù)警值。

(4)監(jiān)控信息：可實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字計算分析對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步圖像處理。

(5)分析評估：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度分析，生成監(jiān)測成果報告。

3 在役橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

依據(jù)橋梁與健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計施工是否同步進行，分為新建和在役橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。與新建橋梁相比，服役多年后的橋梁力學(xué)行為特性(線形、索力等)相較于初始設(shè)計和成橋時均已發(fā)生變化。因此，需要重新構(gòu)建橋梁仿真模型，進行結(jié)構(gòu)計算分析。對于結(jié)構(gòu)的計算以健康監(jiān)測內(nèi)容參數(shù)為目標，主要以結(jié)構(gòu)的剛度、位移、應(yīng)力進行分析[11]，必要時還須考慮到結(jié)構(gòu)存在的損傷對有限元模型、分析方法和結(jié)果的影響。同時在役橋梁由于橋梁各結(jié)構(gòu)和構(gòu)件已全部施工完成，傳感器和線路只能布置在結(jié)構(gòu)表面，必須采取有效、有針對性的保護措施。

健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能之一是在結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)性損傷時，及時發(fā)出預(yù)警信號。不同于新建橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可識別所有荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在役橋梁監(jiān)測系統(tǒng)僅可識別可變荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。因此，該橋健康監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置將依據(jù)可變作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行設(shè)置。

3.1 結(jié)構(gòu)計算分析

本次采用大型計算軟件MIDAS Civil建立大橋空間有限元計算模型，進行結(jié)構(gòu)動力和靜力計算分析，并輔以FEA三維實體模型進行仿真計算校核，見圖11和圖12。其中Civil模型中斜拉索采用桁架單元模擬，箱梁、橋塔橋墩等構(gòu)件采用梁單元模擬，主梁模擬方式采用“魚骨”型，即將實際橋梁結(jié)構(gòu)的主梁處理為順橋向的單根主梁和橫橋向的魚骨，計算分析橋梁整體受力關(guān)鍵截面。確定健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測截面和監(jiān)測點，依據(jù)有限元模型計算分析，總體布置結(jié)構(gòu)見圖13。

圖11 Civil桿系模型Fig.11 Civil member model

圖12 FEA實體模型Fig. 12 FEA solid model

圖13 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體布置圖Fig.13 General layout of health monitoring system

3.2 預(yù)警設(shè)置

該橋于2015年建成通車，屬于在役橋梁，監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變、位移等參數(shù)預(yù)警值設(shè)置依據(jù)可變荷載作用下理論計算值和規(guī)范進行設(shè)置?？勺冏饔冒w溫變、溫度梯度、順向和橫向風力、車輛荷載。安全預(yù)警閾值需要分級[12]設(shè)置進行預(yù)警，本橋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)黃色和紅色兩級。黃色預(yù)警：提醒管養(yǎng)單位對環(huán)境、荷載、結(jié)構(gòu)整體或局部響應(yīng)加強關(guān)注，并進行跟蹤觀察；紅色預(yù)警：警示管養(yǎng)單位應(yīng)對環(huán)境、荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)連續(xù)密切關(guān)注，查明報警原因，采取適當檢查、應(yīng)急管理措施以確保橋梁結(jié)構(gòu)運營安全，并應(yīng)及時進行結(jié)構(gòu)安全評估[13]。當監(jiān)測中的數(shù)據(jù)超出相應(yīng)閾值時，應(yīng)及時啟動橋梁安全預(yù)警[14]見圖14。

圖14 健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警組成結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Early warning structure of health monitoring system

3.3 傳感器與線路保護

該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場使用JMZX-4SX四芯水工電纜接通電源，JMZX-4PX四芯屏蔽線傳輸數(shù)據(jù)信號，BGK-3475儲液罐存儲靜力水準儀液體。為保證電源和信號穩(wěn)定傳輸及安全，采用金屬橋架對電纜線和信號線進行保護。一年的運行中發(fā)現(xiàn)如下問題：

3.3.1 電源斷電

在臺風暴雨等災(zāi)害天氣狀況下，橋上供電系統(tǒng)易發(fā)生故障，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)斷電停止運行，而此時恰是需要實時采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵時刻。解決方法為換裝可自動閉合開關(guān)，若要保證系統(tǒng)正常運行，需滿足以下計算公式：

n≤N

式中：n為系統(tǒng)發(fā)生斷電次數(shù)；N為開關(guān)能自動閉合的次數(shù)。

3.3.2 橋架切割線纜

橋梁在可變作用下，跨中附近會發(fā)生反復(fù)豎向起伏振動，橋架端頭銜接處的線纜會被反復(fù)切割磨損，造成電源供電斷路或信號傳輸中斷，見圖15—圖17。

圖15 線纜表面磨損Fig.15 Cable surface wear

圖16 磨損至金屬絲Fig.16 Wire wear

圖17 緩沖裝置Fig. 17 Buffer device

解決方法：(1)在橋架接頭或拐角處設(shè)置緩沖裝置，防止信號線直接接觸金屬橋架的切割磨損，見圖17；(2)安裝線纜時，使信號線保持松弛狀態(tài)，避免溫變作用下線纜發(fā)生熱脹冷縮時張緊的線纜直接承受垂直線纜軸向方向的更大的摩擦力；(3)將接頭位置處理平滑，避免尖銳棱角接觸線纜。

3.3.3 儲液罐滲液

儲液罐邊緣發(fā)生滲液，當液面到達臨界高度時，會導(dǎo)致液管內(nèi)產(chǎn)生氣泡，影響采集精度和造成數(shù)據(jù)錯誤。對儲液罐進行膠結(jié)處理，試驗24 h不再發(fā)生滲液后投入使用。見圖18和圖19。

圖18 儲液罐邊緣滲液Fig.18 Leakage at the edge of the reservoir

圖19 液管中產(chǎn)生氣泡Fig. 19 Bubbles in the liquid pipe

4 監(jiān)測結(jié)果分析

自動初步處理和人工專業(yè)分析是監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的兩步數(shù)據(jù)處理方法[15]。健康監(jiān)測系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)后，智慧監(jiān)測云網(wǎng)平臺會自動實時處理分析每天采集至數(shù)據(jù)中心的振動、撓度、索力等監(jiān)測數(shù)據(jù)，后續(xù)數(shù)據(jù)工程師可根據(jù)需求對典型數(shù)據(jù)進行深度分析。以下列舉部分監(jiān)測結(jié)果：

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是指對橋梁動力特性進行分析，確定橋梁的各階固有頻率、阻尼比和振型。動力特性體現(xiàn)了橋梁整體剛度性能，測得動力特性，可獲得在役橋梁現(xiàn)階段的“指紋”，用于橋梁損傷識別[5]。

結(jié)構(gòu)模態(tài)控制方程：

w2mα=kα

(1)

式中：α為結(jié)構(gòu)振型；w為振動頻率；m為質(zhì)量矩陣；k為剛度系數(shù)。

通過蘭佐斯法求解結(jié)構(gòu)模態(tài)控制方程的特征值和相應(yīng)的特征向量(wn，αn，n=1,2…，m)，即為結(jié)構(gòu)各階振動頻率和振型。

對于式(1)中剛度系數(shù)：

k=ke+kg

(2)

式中：ke—彈性剛度；kg—幾何剛度。

ke主要取決于結(jié)構(gòu)材料、約束和體系等，kg主要取決于結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力。對于本橋，進行模態(tài)理論計算分析時，需考慮斜拉索力、預(yù)應(yīng)力、自重、二期恒載等產(chǎn)生的軸向壓力對結(jié)構(gòu)幾何剛度的影響。

在環(huán)境激勵作用下，振動模態(tài)理論計算與實際監(jiān)測結(jié)果見表2，理論計算與實際監(jiān)測振型對比見表3，總體可見Civil和FEA計算值均小于實際監(jiān)測結(jié)果，說明橋梁的整體剛度性能較好。實體模型計算值與實際監(jiān)測結(jié)果更加吻合，均大于線性桿系模型計算結(jié)果。

表2 前八階模態(tài)理論計算和實際監(jiān)測結(jié)果對比

表3 前八階理論計算與實際監(jiān)測振型對比

4.2 撓度分析

壓差式靜力水準儀的工作原理是，利用液壓敏感單元測量各個測點儲液器內(nèi)壓強變化值相對于基準點的變化，計算出各個測點壓強變化進而計算出撓度變化值。以右幅測點為例，監(jiān)測截面和測點編號見表4。

表4 監(jiān)測位置和測點編號

對于初始狀態(tài)(t=0)液面平衡計算公式：

Z0i+h0i=Z00+h00(i=1,2,3,4)

對于任意時刻t時，主梁發(fā)生撓度變化時，各測點高程變化為ΔZt1、ΔZt2、ΔZt3、ΔZt4、ΔZt0，各測點液面高度變化Δht1、Δht2、Δht3、Δht4、Δht0，此時液面平衡計算公式：

ΔZti+Δhti+Zti+hti=ΔZt0+Δht0+Zt0+ht0

對于任意時刻t，基準點ΔZt0=0，可求得：

ΔZti=Δht0-Δhti=(Δht0-h00)-

(hti-h0i)(i=1,2,3,4)

根據(jù)上述計算原理，YSW3測點撓度時程曲線見圖20(圖中2019年12月12日實測撓度超過預(yù)警線為系統(tǒng)維護時段造成)。圖中曲線為實測撓度值，箭頭直線為預(yù)警值，主梁撓度在可變荷載作用下會發(fā)生上撓與下?lián)系慕惶孀兓?，且?shù)值大小均未超過黃色預(yù)警線。

圖20 YSW3測點撓度時程曲線圖Fig.20 Deflection time history curve of YSW3 measuring point

5 結(jié)論

1)對2019—2020年一年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了歸納總結(jié)，其中模態(tài)分析，識別結(jié)果與Civil理論計算結(jié)果比值為1.02～1.26，與FEA理論計結(jié)果算比值為1.00～1.08；系統(tǒng)運行時對撓度實測值依預(yù)設(shè)程序自動進行計算分析，結(jié)果未超過紅色預(yù)警值。

2)智慧云集成系統(tǒng)采用基于B/S架構(gòu)開發(fā)的智慧監(jiān)測云網(wǎng)平臺，只需要網(wǎng)絡(luò)和瀏覽器便可進入監(jiān)測系統(tǒng)，減輕維護升級成本，共享性強，是健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺的發(fā)展方向。