橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用

高繁強(qiáng) 辛京偉 沈義勤 周守朋 裴 磊

（1.南四湖水利管理局二級(jí)壩水利樞紐管理局 微山 277600 2.淮河水利委員會(huì)沂沭泗水利管理局 徐州 221018 3.沂沭泗水利管理局防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì) 徐州 221018）

1 研究背景

二級(jí)壩溢流壩交通橋?yàn)槟纤暮?jí)壩除險(xiǎn)加固工程的一個(gè)單位工程，是二級(jí)壩壩頂?shù)缆分匾M成部分，橋梁總長(zhǎng)400m，橋面總寬12m，橋面凈寬9m，兩側(cè)人行道各寬1.5m，共20 跨，單跨跨度20m，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。交通橋工程完工后面臨重載、超載車輛長(zhǎng)期通行的困境，對(duì)新建橋梁的破壞日積月累，將會(huì)大大降低工程設(shè)計(jì)壽命，并帶來(lái)安全隱患。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委“強(qiáng)化過(guò)壩車輛限流限載管理，做好維修養(yǎng)護(hù)，保證工程長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮效益”及水利部“加強(qiáng)壩頂?shù)缆饭芾恚_保工程良性運(yùn)行”的要求，有必要引入先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)橋梁進(jìn)行動(dòng)載健康診斷管理，實(shí)時(shí)記錄通行車輛重量，統(tǒng)計(jì)分析實(shí)時(shí)的橋梁應(yīng)力及撓度變化，并能及時(shí)發(fā)出超閾值報(bào)警。監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)記錄并長(zhǎng)期儲(chǔ)存，既能及時(shí)反映橋梁運(yùn)行狀況，為交通橋運(yùn)行管理單位采取橋梁限載限行措施提供依據(jù)，也為今后橋梁除險(xiǎn)加固、拆除重建等基本建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)項(xiàng)目是在結(jié)合工程運(yùn)行管理實(shí)際需求，充分考慮外部環(huán)境的基礎(chǔ)上，大量查閱相關(guān)的資料、文獻(xiàn)，通過(guò)不斷摸索實(shí)踐提出的，并經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整、試驗(yàn)、修改，逐步形成研究成果。

2.1 總體思路

近年來(lái)全國(guó)已發(fā)生多起橋梁坍塌、傾倒、斷裂等重大安全事故，橋梁運(yùn)行安全警鐘長(zhǎng)鳴。通過(guò)對(duì)多起橋梁安全事故案例的分析和研究，大多存在超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的情況，而且缺少有效的健康監(jiān)測(cè)診斷手段，不能及時(shí)反映橋梁運(yùn)行狀況，從而未采取有效的限制措施，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

新建溢流壩交通橋是國(guó)道518 的組成部分，承擔(dān)著地方交通運(yùn)輸功能，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義，由于重載、超載車輛較多，對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)造成疲勞荷載，尤其是改裝的超重單軸車輛荷載較大，匯車行駛時(shí)對(duì)橋梁造成不可恢復(fù)性傷害。為了避免由于重載、超載車輛對(duì)交通橋造成結(jié)構(gòu)性破壞，出現(xiàn)較大的安全事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷橋梁各項(xiàng)指標(biāo)變化，及時(shí)發(fā)出超閾值預(yù)警，為溢流壩交通橋通車運(yùn)行后管理單位采取有效的橋梁保護(hù)措施提供參考依據(jù)，保障橋梁安全運(yùn)行，是南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程建設(shè)管理處作為溢流壩交通橋建設(shè)單位應(yīng)充分考慮的問(wèn)題。

由工程參建單位聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)共同組建課題研究團(tuán)隊(duì)，在溢流壩交通橋工程實(shí)施初期便開始投入探究，從橋板預(yù)制到橋面二期恒載加載再到通車運(yùn)行，將課題研究覆蓋到橋梁施工全過(guò)程，最終形成交通橋通車后能夠穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行的動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)充分研究，最終的研究成果應(yīng)是一個(gè)完整的健康診斷體系，系統(tǒng)內(nèi)容應(yīng)包括橋板的撓度、應(yīng)變、通行車輛荷載。實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠在服務(wù)器長(zhǎng)期儲(chǔ)存，并通過(guò)專門開發(fā)的診斷數(shù)據(jù)整合軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和發(fā)布預(yù)警，能夠便捷高效地展示橋梁健康診斷成果。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)

在預(yù)制橋板施工過(guò)程中采取特殊手段對(duì)施工階段的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。在預(yù)制橋板施工過(guò)程中，采取在橋板內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)力傳感器的方式，監(jiān)測(cè)橋板預(yù)制完成到通車運(yùn)行后的內(nèi)應(yīng)力變化。在第一跨選取5片橋板，在每片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板埋設(shè)振弦式鋼筋應(yīng)力傳感器，每片梁4 只，其中埋在混凝土空心板底部受拉區(qū)兩只，上部受壓區(qū)埋設(shè)兩只。鋼筋應(yīng)力計(jì)布設(shè)圖如圖1。

圖1 鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)位置圖

在交通橋鋪裝層施工過(guò)程中，采取在鋪裝層內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)力傳感器的方式，監(jiān)測(cè)橋梁二期恒載加載及通車運(yùn)行后的內(nèi)應(yīng)力變化。在第一跨選取5 片梁，在橋板上部混凝土鋪裝層跨中位置埋設(shè)振弦式鋼筋應(yīng)力傳感器，并將信號(hào)線引出。

2.2.2 表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)

在溢流壩交通橋通車運(yùn)行后，在第一跨橋板下部跨中位置安裝電阻式表面式應(yīng)變計(jì)，用于監(jiān)測(cè)通車后加載動(dòng)載荷后橋板表面應(yīng)力變化，用于同內(nèi)部應(yīng)變對(duì)比分析。表面應(yīng)變計(jì)同橋板底面緊密貼合，并且粘貼牢固，避免外部環(huán)境造成應(yīng)變計(jì)震動(dòng)脫落，確保讀取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

2.2.3 橋板撓度監(jiān)測(cè)

在成橋狀態(tài)下監(jiān)測(cè)橋板的形變，并通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)荷載條件下橋板撓度值的變化，來(lái)反映運(yùn)行狀態(tài)下橋梁的整體性能。在第一跨每片橋板下部安裝直線位移計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋板撓度變化。采用穩(wěn)固且形變較小的支架作支撐，避免外部環(huán)境造成位移計(jì)震動(dòng)，確保讀取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在橋面無(wú)外加荷載的情況下讀取零點(diǎn)值，以便同后續(xù)讀值對(duì)比分析。

2.2.4 稱重設(shè)備安裝

為分析動(dòng)載荷對(duì)橋梁的影響，需掌握橋面通行車輛重量，因此在溢流壩交通橋東端連接道路施工階段便著手考慮設(shè)置道路稱重設(shè)備。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)充分考察，確定布設(shè)固定式軸重秤。固定式軸重秤是通過(guò)對(duì)車輛的軸（組）重分別計(jì)量，再通過(guò)累計(jì)獲得整車重量（總重）的計(jì)量設(shè)備，由秤體(包括稱重傳感器、接線盒、限位套件、預(yù)埋件等)和稱重儀表等組成。整秤是由0.9m×4.0m 的正方秤面，與U型梁結(jié)構(gòu)秤梁無(wú)縫激光焊鑄組成的秤體框架。選用穩(wěn)定可靠的高精度合金鋼橋式稱重傳感器。當(dāng)車輛通過(guò)軸重秤時(shí)，稱重顯示器對(duì)于收集到的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，顯示整車的重量，并向計(jì)算機(jī)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2.5 設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)讀取整合

在直線位移計(jì)和表面應(yīng)變計(jì)布設(shè)完成后，安裝數(shù)據(jù)自動(dòng)采集設(shè)備，安裝遠(yuǎn)程應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器、在線監(jiān)測(cè)機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備，并通過(guò)光纖將信號(hào)傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器上，通過(guò)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)的“橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)軟件”將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和分析展示，并設(shè)置預(yù)警閾值。

3 科技創(chuàng)新性

3.1 安全性高

該系統(tǒng)硬件設(shè)備均由課題研發(fā)團(tuán)隊(duì)自行考察采購(gòu)，數(shù)據(jù)通過(guò)鋪設(shè)的光纖專線傳輸，信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備、采集設(shè)備均采取加密措施，并新建數(shù)據(jù)采集設(shè)備機(jī)房。健康診斷軟件為針對(duì)該項(xiàng)目專門開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，包括源代碼、接口協(xié)議等。系統(tǒng)配有專用服務(wù)器，可以通過(guò)局內(nèi)網(wǎng)訪問(wèn)，安裝有工控機(jī)安全衛(wèi)士，具有防火墻、入侵檢測(cè)等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)性強(qiáng)

通過(guò)傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、信號(hào)傳輸設(shè)備、服務(wù)器、工控機(jī)、顯示器等多個(gè)模塊互相協(xié)作，各環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)高效、靈敏，最后通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件集成，形成一個(gè)完整的橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)。

3.3 人性化設(shè)計(jì)

雖然該橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程較長(zhǎng)，但形成實(shí)體后整體框架結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，軟件界面布局合理，監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)信息一目了然，方便使用和查詢。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單快捷，人機(jī)功效好，適合廣大管理人員操作使用，同時(shí)便于檢修和維護(hù)。橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 研發(fā)歷程

該課題于2019年9月開始構(gòu)思、規(guī)劃并組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)。2019年10月30日—11月8日完成橋板內(nèi)部應(yīng)變計(jì)埋設(shè)及橋板靜載試驗(yàn)，開始存梁期內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)。2019年12月26—28日，完成橋板外部應(yīng)變計(jì)和連通管、鋼弦、刻度尺安裝，開始存梁期橋板外部應(yīng)變和撓度監(jiān)測(cè)。2020年3月18—26日，完成橋面鋪裝層內(nèi)部應(yīng)變計(jì)埋設(shè)及橋板表面位移計(jì)安裝，開始橋板二期恒載加載后內(nèi)部應(yīng)變及撓度變化監(jiān)測(cè)。2020年6月10—18日完成整橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)。從橋板預(yù)制到整橋通車，各階段的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為項(xiàng)目開發(fā)和后期應(yīng)用提供了大量數(shù)據(jù)參考和支撐。在研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難、不懈努力下，于2020年10月完成了設(shè)備安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)采集傳輸、監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)建設(shè)，并投入使用。2021年1月申報(bào)了課題發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。

5 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)軟硬件設(shè)備運(yùn)行正常，各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤，系統(tǒng)顯示分析正常，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正常，內(nèi)部應(yīng)變、撓度變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。整個(gè)動(dòng)載健康診斷系統(tǒng)研發(fā)符合橋梁總體安全運(yùn)行管理實(shí)際，無(wú)論從硬件還是軟件，系統(tǒng)功能均符合最初研發(fā)目的，整體達(dá)到并局部超越預(yù)期目標(biāo)。

6 推廣應(yīng)用前景

本套動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可以應(yīng)用于眾多橋梁健康監(jiān)測(cè)，符合水利行業(yè)具體要求。該系統(tǒng)設(shè)備無(wú)需人員值守看護(hù)，可以長(zhǎng)期運(yùn)行，設(shè)備造價(jià)經(jīng)濟(jì)，安裝方便，管理人員經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可上崗應(yīng)用，推廣應(yīng)用條件要求低，有較強(qiáng)的實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益良好，可為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考■