風陵渡黃河大橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化研究

曹少杰

（山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司，山西 運城044000）

1 概述

風陵渡黃河大橋為變截面連續(xù)梁橋，由邊孔橋與主孔橋組成，邊孔橋跨徑組成為5×87 m，主孔橋為87+7 m×14+87 m。在長期運營荷載作用下，大橋出現(xiàn)梁體下?lián)?、箱梁開裂等病害。為了改善大橋受力，防止該橋承載力及使用狀況繼續(xù)惡化，2009—2010年對該橋?qū)嵤┝思庸叹S修。同時依托該橋加固工程，建立長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測加固過程及運營期內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)狀況。

2 長期健康監(jiān)測系統(tǒng)

大橋的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括主梁關(guān)鍵截面應力監(jiān)測、主梁變形監(jiān)測、吊桿內(nèi)力監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測等。在該橋每跨跨中布設撓度測點，每跨跨中及根部布設應力測點，選取代表性吊桿布設吊桿內(nèi)力測點。

主梁變形監(jiān)測采用靜力水準儀，變形監(jiān)測點布設在變形最大處，即每跨跨中位置，采樣時間間隔為30 min。主梁應變監(jiān)測選用光纖光柵應變計，布置在主梁跨中及根部等關(guān)鍵截面，每個斷面布設4個應變測點，采樣頻率為1 Hz，并選擇在部分測點附近布置溫度測點，消除溫度對傳感器的影響。鋼箱系桿拱吊桿內(nèi)力，通過安裝智能穿心力傳感器進行監(jiān)測。

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過12芯光纜傳輸至監(jiān)控機房，監(jiān)控機房設在大橋管理機構(gòu)。

自長期健康監(jiān)測系統(tǒng)運行以來，通過對測試數(shù)據(jù)的分析整理，掌握了主梁截面剛度較低的相對薄弱位置、撓度、車輛荷載對主梁產(chǎn)生的較大應變和變形，從而更加準確地掌握大橋運營期的受力狀況，對大橋安全保障和運營管理起到了重要的作用。同時提出各傳感器車輛荷載應變最大、最小的預警閾值，并對超預警值發(fā)生時段進行了整理分析，為交管部門提供了針對性的交通管控措施。

3 現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題

3.1 無法開展動撓度監(jiān)測

現(xiàn)有撓度測試采用基于連通管原理的靜力水準儀，由于水準液體的滯后性，不能實時監(jiān)測由于重型車輛通過主梁產(chǎn)生的位移，只能反映主梁變形的長期趨勢。同時采樣頻率較低，無法滿足動撓度監(jiān)測需要。

3.2 缺少橋梁振動監(jiān)測

橋梁振動的頻率與結(jié)構(gòu)的剛度呈正相關(guān)，通過對結(jié)構(gòu)頻率的監(jiān)測，可掌握橋梁剛度的變化情況。

3.3 現(xiàn)有采集軟件功能不滿足在線監(jiān)測的需要

現(xiàn)有采集軟件主要側(cè)重于數(shù)據(jù)的正常采集與存儲，例如光纖采集軟件，雖然能實時繪制應變曲線圖，但僅顯示最近60 s的實測數(shù)據(jù)，無法查看其他時段數(shù)據(jù)；同時也無法用實際回歸后得出的應變計算公式來進行數(shù)據(jù)分析。

3.4 預警系統(tǒng)智能化不高

該系統(tǒng)雖然建立了橋梁預警閾值，但不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析和報警功能，無法滿足橋梁動態(tài)監(jiān)管的需要。鑒于該系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容不全面，監(jiān)測軟件及預警系統(tǒng)不夠智能等，限制了健康監(jiān)測系統(tǒng)的進一步應用，因此有必要按照先進適用、經(jīng)濟合理的原則，對該系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化和完善，從而實時動態(tài)監(jiān)測橋梁車輛荷載信息、結(jié)構(gòu)受力狀況等，獲取反映結(jié)構(gòu)綜合狀況的各種信息，并能夠依據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行智能預警，有助于管理者發(fā)現(xiàn)早期結(jié)構(gòu)病害，及時采取有效措施，確保橋梁的安全使用并進行必要的維修以延長橋梁壽命，確保結(jié)構(gòu)的受力安全。

4 系統(tǒng)優(yōu)化完善方案

針對現(xiàn)有系統(tǒng)運行中存在的不足并經(jīng)專家評議，最終完成的系統(tǒng)優(yōu)化完善方案主要包括主要傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制與處理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)預警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、交通安全監(jiān)控系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估及預警系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)8個子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)：加密補充主梁關(guān)鍵斷面應變的實時監(jiān)測，b梁跨中動撓度和靜撓度監(jiān)測，實現(xiàn)車輛荷載的動態(tài)稱重監(jiān)測，實現(xiàn)大型重載車輛在橋面實時隊列情況，實現(xiàn)主梁關(guān)鍵部位的振動監(jiān)測，監(jiān)測軟件及預警系統(tǒng)智能化、自動化。優(yōu)化完善后的健康監(jiān)測系統(tǒng)如 圖1所示。

圖1 優(yōu)化完善后的健康監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 對主梁相對薄弱部位補充加密應變傳感器

根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，第3、7、10、12、13跨跨中部位應變測試數(shù)據(jù)比其他位置應變數(shù)據(jù)偏大，尤其是第12跨、第13跨最大應變達400με左右，為主梁相對薄弱部位，因此有必要對這些薄弱部位的應變測點進行加密，進一步掌握這些部位應變的實際狀況，保障大橋的受力安全。

4.2 在主梁相對薄弱的橋跨安裝動撓度及振動傳感器

現(xiàn)有撓度測試采用靜力水準儀，無法測試橋梁的瞬態(tài)撓度響應。而采用速度傳感器能夠測試橋梁的瞬間撓度，但不能準確測試結(jié)構(gòu)的長期撓度趨勢。因此選擇主梁相對薄弱的橋跨安裝速度傳感器進行動撓度測試，同時選擇代表性橋跨安裝振動傳感器，進行結(jié)構(gòu)振動測試。

4.3 在橋頭安裝動態(tài)稱重系統(tǒng)，監(jiān)測通過橋梁上的車輛荷載狀況

通過對結(jié)構(gòu)的變形和應變進行監(jiān)測，結(jié)合作用在橋梁上的車輛荷載監(jiān)測狀況，可為橋梁結(jié)構(gòu)運營過程中的受力狀況分析提供必要的技術(shù)資料。

4.4 在橋面建立區(qū)間重載車輛檢測系統(tǒng)

在橋面建立區(qū)間重載車輛檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)測橋面上大型重載車輛位置，繪制重型車輛在橋面的實時分布圖，從而可掌握車輛荷載在橋面的排隊情況，為大橋養(yǎng)護管理提供依據(jù)。

4.5 在鋼箱拱吊桿安裝加速度傳感器，監(jiān)測吊桿內(nèi)力

鑒于該橋增設拱圈的橋跨主要通過吊桿將主梁受力傳遞給主拱圈，因此選擇代表性吊桿安裝加速度傳感器，采用頻率法監(jiān)測吊桿力變化，可在一定程度上反映主梁和拱圈之間受力的實際狀況。

4.6 升級采集軟件

采用儀器廠家的通信協(xié)議進行采集軟件的編寫，實現(xiàn)的功能有：設置傳感器參數(shù)，應變或撓度等參數(shù)的公式計算（公式可編輯），采集數(shù)據(jù)存儲，實時顯示采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)查詢等，根據(jù)監(jiān)控機房的升級改造，編寫相關(guān)圖形顯示軟件，使重要的監(jiān)測參數(shù)可通過圖形直接顯示。另外，對車輛動態(tài)稱重測試數(shù)據(jù)進行整理分析，以圖形的方式直觀地顯示出橋梁上具體的車輛荷載隊列。

4.7 實時分析計算采集數(shù)據(jù)，建立大橋智能預警體系

編寫數(shù)據(jù)分析軟件，采用濾波或者平滑算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時處理，分析車輛荷載產(chǎn)生的應變或變形，并進行統(tǒng)計分析和判斷，確定當前狀態(tài)是否超限，根據(jù)超限的實際情況建立分級預警體系，并在第一時間將相關(guān)預警信息以短信的方式發(fā)送給大橋管理的相關(guān)人員，以便及時啟動相應的應急預案。

4.8 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

編寫相關(guān)軟件，將采集的重要數(shù)據(jù)直接顯示到信息中心的相關(guān)電腦上，如關(guān)鍵截面的應變及變形、橋梁上的車輛荷載信息、超限預警數(shù)據(jù)信息等。

5 小結(jié)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化完善，應全面考慮橋梁的結(jié)構(gòu)和運行現(xiàn)狀。結(jié)合原有健康監(jiān)測系統(tǒng)運行經(jīng)驗以及橋梁運營管理實際需求，重點關(guān)注各種使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能及工作環(huán)境實施監(jiān)測及預警，有針對性提出優(yōu)化完善方案。系統(tǒng)優(yōu)化完善以來運行正常，科學指導運營管理，極大提高了橋梁管理科技水平，對保證橋梁正常運營具有重要的意義。