山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

李超群，李文華，甄一帆

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京市 100032; 2.北京源清慧虹信息科技公司 北京市 100000)

0 引言

自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)已持續(xù)進(jìn)行了大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完成了數(shù)萬億的投資，截止2020年末我國(guó)公路橋梁已達(dá)91.28萬座，其中特大橋梁6444座。雖然我國(guó)橋梁工程實(shí)踐已取得了輝煌的成就，但是橋梁設(shè)計(jì)、管理水平和安全評(píng)定方法等相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距，跨越式發(fā)展也暴露出了諸多問題[1]。有專家認(rèn)為，在發(fā)達(dá)國(guó)家交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高峰30～50年后出現(xiàn)的養(yǎng)護(hù)維修高峰可能在我國(guó)會(huì)提前到來，與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)技術(shù)相比，橋梁安全與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)大大縮短了對(duì)突發(fā)性損傷的發(fā)現(xiàn)速度，遇到較大損傷或異常事件發(fā)生時(shí)可提前預(yù)警，因此，對(duì)橋梁布設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義[2-4]。其中山區(qū)橋梁的受害風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于平原區(qū)橋梁，特別是破壞性強(qiáng)、應(yīng)對(duì)措施乏力的崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害所造成的橋梁破壞。依托現(xiàn)有橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建適用于山區(qū)長(zhǎng)大橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過對(duì)某山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析探索山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。

1 國(guó)內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代后期，國(guó)外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的新思路和概念，當(dāng)前國(guó)外大量大型橋梁(大跨100m以上)建立了結(jié)構(gòu)健康大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，其中較具代表性的橋梁有：丹麥的Great Belt大橋、加拿大的聯(lián)邦大橋、美國(guó)的Commodore Barry大橋、日本的明石海峽大橋、韓國(guó)的首爾大橋等[5-8]。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)九十年代起對(duì)一些大型重要橋梁建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，據(jù)2020年底不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已構(gòu)建橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁超過460座，主要應(yīng)用于特大跨徑橋梁，其中主跨在300m以上的橋梁近150座，在橋梁服役結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和助力科學(xué)養(yǎng)管等方面發(fā)揮著重要作用。但由于各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，以及武漢、重慶、南京等城市的大跨度橋梁和特殊橋梁較為普遍地安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；西北、東北經(jīng)濟(jì)較不發(fā)達(dá)地區(qū)橋梁構(gòu)建結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比例較低；西南地區(qū)隨著近些年高速路網(wǎng)快速發(fā)展，多數(shù)大跨徑橋梁均已構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]。

2021年3月1日，交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》要求按照“安全第一、預(yù)防為主、明確責(zé)任、分級(jí)管理、突出重點(diǎn)、分步實(shí)施、單橋監(jiān)測(cè)、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)”的原則，對(duì)跨江跨?？鐛{谷等長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)掌握長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況，著力防范化解公路長(zhǎng)大橋梁運(yùn)行重大安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提升公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和安全保障能力。該實(shí)施方案要求對(duì)長(zhǎng)大橋梁養(yǎng)護(hù)管理從制度上、技術(shù)上和模式上進(jìn)行探索和創(chuàng)新，并給出了401座長(zhǎng)大橋監(jiān)測(cè)清單，經(jīng)統(tǒng)計(jì)位于云貴川等山區(qū)長(zhǎng)大橋的監(jiān)測(cè)數(shù)量位居前列，如表2所示。

表2 401座長(zhǎng)大橋清單各省橋梁統(tǒng)計(jì)表

2 山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)信息化系統(tǒng)工程，需要綜合考慮山區(qū)橋梁所處環(huán)境、所受作用及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)行為特性、狀態(tài)評(píng)估需求和管養(yǎng)養(yǎng)護(hù)要求等因素，并結(jié)合《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JTT 1037—2016)、《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)技術(shù)指南》和《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》等政策規(guī)范要求，在橋梁關(guān)鍵部位部署數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等信息，并利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、處理、評(píng)估和可視化等技術(shù)，立體直觀展示山區(qū)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，及時(shí)有效對(duì)結(jié)構(gòu)異常狀況進(jìn)行報(bào)警提示，為橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全、安全隱患的預(yù)判、日常橋梁的養(yǎng)護(hù)管理和計(jì)劃制定提供科學(xué)依據(jù)和支撐[10-11]。

為實(shí)現(xiàn)山區(qū)長(zhǎng)大橋?qū)崟r(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層：

(1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層采集模塊支持環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和局部響應(yīng)各指標(biāo)監(jiān)測(cè)需求；算法模塊支持設(shè)備內(nèi)嵌適用不同指標(biāo)智能算法；業(yè)務(wù)模塊支持遠(yuǎn)程觸發(fā)采樣和遠(yuǎn)程系統(tǒng)功能及算法升級(jí)；通信模塊支持NB、Lora、RS485、B-Stack傳及4G/5G傳感設(shè)備；供電模塊支持適用于不同監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的電池供電、外部電源供電和可充電電池供電等。

(2)數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層介于數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)服務(wù)層之間，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)備類型、數(shù)據(jù)采樣頻率、傳輸方式、后期運(yùn)維便捷性、成本控制等要求支持無線(4G/5G/NB)、有線(以太網(wǎng)/光纖)傳輸方式，完成采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)層為數(shù)據(jù)核心層，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與管理。包含存儲(chǔ)、接入、轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)的清洗、預(yù)處理、特征計(jì)算、預(yù)警、評(píng)估分析。

(4)業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示與應(yīng)用服務(wù)，包括數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)報(bào)警/預(yù)警、資產(chǎn)信息管理、安全評(píng)估、智能報(bào)告報(bào)表、BIM&GIS可視化展示。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠性是保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)良好工作非常重要的一部分，為有效保障數(shù)據(jù)的高可靠性，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)或靜動(dòng)結(jié)合的數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)大大降低了橋梁監(jiān)測(cè)的施工和后期維護(hù)的成本，山區(qū)長(zhǎng)大橋梁數(shù)據(jù)的主要傳輸方式可采用無線或光纖環(huán)網(wǎng)或者是無線+光纖環(huán)網(wǎng)的方式，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐負(fù)鋱D如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)拓?fù)鋱D

2.2 預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)以監(jiān)測(cè)獲取的橋梁結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，包含環(huán)境激勵(lì)指標(biāo)(地震、洪水等)、自身特性指標(biāo)(變形、受力等)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)(頻率、振型、阻尼等)，結(jié)合橋梁基本設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、橋梁檢測(cè)評(píng)定以及其他系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)形成預(yù)警指標(biāo)的數(shù)據(jù)源，根據(jù)需要對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或預(yù)處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同等級(jí)報(bào)警設(shè)置。為降低或排除冗余報(bào)警，系統(tǒng)增設(shè)報(bào)警驗(yàn)證機(jī)制，當(dāng)異常疑似報(bào)警發(fā)生時(shí)，先通過觸發(fā)聯(lián)動(dòng)采樣方式獲取更多實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，再通過多傳感器、多參數(shù)的方式進(jìn)行相互驗(yàn)證，特殊情況下可結(jié)合人工干預(yù)的方式提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，報(bào)警機(jī)制流程如圖2所示。

圖2 報(bào)警機(jī)制流程示意圖

2.3 綜合評(píng)估方法設(shè)計(jì)

長(zhǎng)大橋主要的評(píng)估方法有常規(guī)綜合評(píng)估法、模糊綜合評(píng)估法、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、特爾斐專家評(píng)估法、層次分析法、可靠度方法等，目前大型橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的綜合評(píng)估主要運(yùn)用層次分析法[12-13]，該方法首先是根據(jù)監(jiān)測(cè)橋梁橋型、監(jiān)測(cè)指標(biāo)將影響橋梁狀態(tài)的因素層次化，構(gòu)建評(píng)估層次模型，再結(jié)合部件及監(jiān)測(cè)的重要程度，建立評(píng)估矩陣并利用層次分析法計(jì)算各層次權(quán)重，監(jiān)測(cè)期間權(quán)重分配可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡定檢的病害情況靈活調(diào)控，然后通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定底層各指標(biāo)的狀態(tài)，并采用變權(quán)綜合法自下而上逐級(jí)計(jì)算中間各層指標(biāo)的得分，最終算出總體結(jié)構(gòu)使用功能評(píng)分，以此判斷橋梁的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

3 山區(qū)長(zhǎng)大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及評(píng)估

某橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土單塔雙索面斜拉橋，主梁標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，為單箱三室流線形箱梁，密索區(qū)箱內(nèi)澆注卵石混凝土作平衡配重，梁寬29.50m，軸線處梁高3.00m，主橋索塔為墩塔梁固結(jié)體系，索塔為“H”形，主梁以上設(shè)置兩根橫系梁，塔上設(shè)了176根斜拉索，靠近西側(cè)42號(hào)箱室至24號(hào)箱室索間距為3m，其余斜拉索間距均為6m。

圖3 某長(zhǎng)大橋立面和平面布置圖(單位：cm)

橋梁結(jié)構(gòu)空間位置的變化與結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化是一個(gè)統(tǒng)一體，在特殊荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變位響應(yīng)與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系也是判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要依據(jù)，為此某橋根據(jù)所處環(huán)境、所受作用及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)行為特性、狀態(tài)評(píng)估需求和管養(yǎng)養(yǎng)護(hù)需求，結(jié)合《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JTT 1037—2016)要求和圖4有限元計(jì)算分析結(jié)果在主梁等間隔部署了26個(gè)主梁豎向位移監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 某長(zhǎng)大橋有限元計(jì)算模型和汽-超-20荷載標(biāo)準(zhǔn)下位移變形

為了進(jìn)行人工檢測(cè)和智能傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)的測(cè)量效果對(duì)比，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)的規(guī)定，按某橋梁結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則確定了如表3所示的7個(gè)靜力荷載工況，選取其中兩個(gè)關(guān)鍵工況2和工況4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元影響線及荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5～圖7和表4所示。

表3 某長(zhǎng)大橋靜力荷載試驗(yàn)各工況加載時(shí)間表

根據(jù)工況2和工況4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元影響線及荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可得：

(1)靜力荷載試驗(yàn)工況下，監(jiān)測(cè)獲取的梁體撓度變化曲線與對(duì)應(yīng)工況下模型模擬影響線及荷載試驗(yàn)撓度變形曲線一致。

(2)左右主梁最大撓度加載工況下，監(jiān)測(cè)獲取的撓度最大值與荷載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果的最大值存在10%以內(nèi)的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因是監(jiān)測(cè)與荷載試驗(yàn)設(shè)備等間隔部署位置存在差異，一定程度影響對(duì)比效果。

圖5 某長(zhǎng)大橋工況2和工況4主梁最大撓度影響線

圖6 工況2某長(zhǎng)大橋撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 工況4某長(zhǎng)大橋撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

表4 某長(zhǎng)大橋各工況滿載作用下主梁各截面荷載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)山區(qū)長(zhǎng)大橋監(jiān)測(cè)部署需要考慮地震、洪水、滑坡、泥石流等災(zāi)害對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的影響，增加地震動(dòng)、橋墩傾斜、基礎(chǔ)不均勻沉降及環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量等類似的橋梁監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在橋梁遭受突發(fā)事件后，可通過強(qiáng)風(fēng)、索異常振動(dòng)、地震、重車和洪水等專項(xiàng)分析，輔助橋梁管理部門實(shí)時(shí)掌握橋梁在經(jīng)歷這些事件后的安全狀態(tài)。

(2)根據(jù)山區(qū)長(zhǎng)大橋橋梁地理環(huán)境特點(diǎn)、橋梁類型、靜動(dòng)態(tài)采樣、成本預(yù)算、實(shí)施難度、后期運(yùn)維便捷性等因素綜合考慮，選取無線或無線+光纖環(huán)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，采用此種監(jiān)測(cè)方式相比傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)部署可以減少工程投資、節(jié)省工期和后期的運(yùn)維費(fèi)用。

(3)通過實(shí)際橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載試驗(yàn)、有限元模擬對(duì)比分析可得：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與荷載試驗(yàn)及模型分析結(jié)果基本保持一致，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更能清晰呈現(xiàn)整個(gè)荷載試驗(yàn)加載及卸載過程結(jié)構(gòu)的受力變形，長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能更有效分析結(jié)構(gòu)安全狀況，在異常問題出現(xiàn)時(shí)可以做到及時(shí)響應(yīng)，快速判斷并給出處置措施，可有效地輔助橋梁日常管養(yǎng)工作，對(duì)災(zāi)害突發(fā)的山區(qū)橋梁其安全價(jià)值更加凸顯。