中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用

張 欣，潘 玲，樊 鋒,林宏磊

(1.廣東交科檢測有限公司，廣州 510550；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

近年來我國交通運輸事業(yè)快速發(fā)展，公路橋梁建設取得了舉世矚目的成就。據(jù)2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[1]，至2021年末，全國公路橋梁96.11萬座，其中特大橋梁7 417座、大橋13.45萬座、中小橋81.92萬座，中小跨徑橋梁占比約85%。在役中小跨徑橋梁在長期荷載作用下會出現(xiàn)結構損傷及承載力下降，如何保障基數(shù)龐大的中小跨橋梁的安全運營，是管理單位面臨的重要課題之一。

目前，中小橋主要采用日常巡查和定期檢測的方式進行維護管理﹐這兩種方式均為人工監(jiān)測方法，受限于檢測人員的專業(yè)知識水平和檢測技術手段，且橋梁部分結構性病害不易發(fā)現(xiàn)，如預制梁之間的鉸縫損傷等。此外，橋梁定期檢測周期一般為2～3年，橋梁信息獲取滯后，檢測情況難以量化，無法實時跟蹤病害的發(fā)展狀況。隨著這些問題的出現(xiàn)，橋梁結構健康監(jiān)測技術越來越受到橋梁管理者的重視。

國內較多的特大橋梁已安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行結構狀態(tài)實時監(jiān)測，但由于成本的限制，健康監(jiān)測技術在中小跨徑橋梁方面的研究及應用較少，已有成果大多針對某一特定橋梁，缺乏整體性、規(guī)范性的指導原則，尚未建立科學、統(tǒng)一的設計標準[2-4]。因此，本文從中小跨徑橋梁的監(jiān)測范圍、監(jiān)測內容、軟硬件開發(fā)等方面進行探討，開展中小跨徑橋梁監(jiān)測系統(tǒng)研究，為中小橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計及應用提供經(jīng)驗參考。

1 監(jiān)測范圍

中小跨徑橋梁數(shù)量巨大，監(jiān)測系統(tǒng)不可能大面積覆蓋。基于經(jīng)濟性與實用性的考慮，必須篩選出有監(jiān)測需求的橋梁，建議重點監(jiān)測以下橋梁：

(1)結構特殊的中小橋。該類橋梁結構受力復雜，容易發(fā)生安全事故，如T構橋、大懸臂蓋梁、長懸臂翼緣板箱梁橋(懸臂長度≥2.5m)、獨柱墩橋梁等。

(2)技術狀況特殊的中小橋。將技術狀況等級為3類、4類且需要跟蹤觀測的在役橋梁，以及經(jīng)過評定需要進行結構監(jiān)測的橋梁，納入監(jiān)測范圍。

2 監(jiān)測內容

《公路橋梁結構監(jiān)測技術規(guī)范》(JT/T-2022)分別規(guī)定了主跨跨徑≥500m的懸索橋、300m的斜拉橋、160m的梁橋、200m拱橋的監(jiān)測內容，其中懸索橋應選監(jiān)測項25項，斜拉橋應選監(jiān)測項21項，梁橋應選監(jiān)測項8項，拱橋應選監(jiān)測項16項。中小跨徑橋梁的監(jiān)測內容不應追求大而全，應根據(jù)橋梁結構特點、技術狀況及特殊需求確定相關監(jiān)測內容，充分體現(xiàn)針對性、實用性及經(jīng)濟性。

2.1 結構特殊的中小橋

2.1.1 T構橋

懸臂端的下?lián)?、掛梁位移是T型剛構橋最常見的病害類型。此外在掛梁橫向變形的撞擊作用下，防落梁的擋塊裝置也易出現(xiàn)開裂、功能缺失等狀況，建議T構橋主要監(jiān)測內容及部位見表1。

表1 典型T構橋監(jiān)測項目

2.1.2 大懸臂蓋梁

大懸臂蓋梁為深受彎構件，在荷載作用下其受力狀態(tài)與普通梁有較大區(qū)別，構件同時存在受壓、受拉及受剪，正截面上的應變分布不符合平截面假定[5]。采用實體單元建立大懸臂蓋梁的有限元模型進行分析，表明大懸臂蓋梁懸臂端根部為結構應力響應最大的位置，是運營階段監(jiān)測的重點，建議大懸臂蓋梁監(jiān)測的內容及部位見表2。

表2 典型大懸臂蓋梁監(jiān)測項目

2.1.3 長懸臂翼緣板箱梁

建立懸臂翼緣板箱梁空間有限元模型，對結構運營過程的受力狀態(tài)進行分析。從汽車最不利偏載作用下的墩頂、跨中應變云圖可以看出，翼緣板最不利位置為腹板對應的位置。從目前國內長懸臂翼緣板連續(xù)箱梁的運行現(xiàn)狀可知，箱梁橋在翼緣板處易開裂，建議長懸臂翼緣板箱梁橋的監(jiān)測內容及部位見表3。

表3 典型長懸臂翼緣板箱梁監(jiān)測項目

圖2 典型長懸臂翼緣板箱梁有限元模型

2.2 技術現(xiàn)狀特殊的中小橋

該類橋梁的監(jiān)測內容應以結構性病害為導向。通過對歷年橋梁結構物定期檢查報告的梳理，部分中小橋橋梁運營時間長、交通荷載大、結構病害較多。主要病害為：

(1)等截面箱梁開裂。

(2)對于裝配式混凝土橋梁，整體連接型病害突出。如小跨徑多板體系的鉸縫破損、脫落、滲水有發(fā)展為單板受力傾向，在重載交通量大的路段較易出現(xiàn)。

(3)出現(xiàn)較多結構性裂縫，如底板橫裂、腹板豎裂/斜裂，存在結構安全隱患。

(4)支座偏位及支座變形過大。

(5)高墩傾斜現(xiàn)象。

(6)基礎不均勻沉降。

當橋梁出現(xiàn)上述病害時，會影響橋梁的安全性及整體穩(wěn)定性，必須實時跟蹤病害發(fā)展情況，必要時采取相應措施進行維修加固與更換，從而保證橋梁的安全運營。

此外，部分運營時間較長的中小跨徑橋梁采用粘貼鋼板、施加體外預應力等加固措施來提高結構的承載力，有必要對該類橋梁的加固效果進行監(jiān)測，掌握結構加固后的受力狀況。

3 監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

3.1 硬件

3.1.1 硬件設計原則

(1)低功耗：中小橋梁投資額有限，在硬件設計上首先必須考慮經(jīng)濟性。選擇低功耗傳感器及采集系統(tǒng)硬件設備，同時自行研發(fā)部分低功耗、低成本、通用化設計的硬件設備，降低系統(tǒng)成本。

(2)經(jīng)濟性：中小橋系統(tǒng)造價較低，設備的選擇上不能一味追求高精度，在滿足數(shù)據(jù)分析需求的前提下，選擇精度合適的傳感器。此外，傳感器的精度應與數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)相匹配。

(3)可靠性及穩(wěn)定性：設備能在高塵、高濕、高低溫變化、高腐蝕性環(huán)境等惡劣環(huán)境中連續(xù)、不間斷地采集數(shù)據(jù)并保證測量準確及長期穩(wěn)定，傳感器的溫漂、時漂、抗電磁干擾能力等指標應滿足技術要求。

(4)可更換性：傳感器使用壽命一般為5～10年，橋梁按照100年設計年限，監(jiān)測期內幾乎所有設備都面臨更換問題，因此設備選型應充分考慮后期更換的便捷性。

3.1.2 硬件采集傳輸方案

特大橋監(jiān)測內容全面，數(shù)據(jù)海量，現(xiàn)場各類監(jiān)測數(shù)據(jù)一般通過光纖網(wǎng)絡上傳至現(xiàn)場服務器，服務器進行數(shù)據(jù)預處理后將特征數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡遠程傳輸至云平臺。強大的服務器能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高性能計算和用戶數(shù)據(jù)的安全性，但高性能服務器價格昂貴且功耗較大，并不適合在中小橋中長期推廣應用。

針對中小橋低功耗的傳輸需求，有必要定制研發(fā)一款集采集、處理及傳輸一體化的終端，采集設備內制一臺小型嵌入式工控機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集、預處理與遠程傳輸。該設備應具有功耗低、傳輸速度快、抗干擾能力強、可靈活擴展等特點。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的頂層部分，負責數(shù)據(jù)分析、安全評估、設備管理等功能。監(jiān)測軟件的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的可用性與易用性，是整個系統(tǒng)的關鍵。

綜合考慮經(jīng)濟性與實用性，建議中小跨徑橋梁不設監(jiān)控中心，直接接入集群式監(jiān)測軟件平臺，實行統(tǒng)一維護管理。

3.3 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)應考慮經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，當橋面附近有供電點(收費站、視頻監(jiān)控門架等)且距離橋址不大于600m時，宜采用供電點對系統(tǒng)供電。當供電點距離橋址大于600m時，線纜敷設成本較高，建議采用太陽能對系統(tǒng)供電。太陽能供電應參照當?shù)厝照諚l件，滿足連續(xù)10d陰雨天情況下系統(tǒng)具備不間斷供電的能力。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

某橋梁為先簡支后連續(xù)剛構T梁，分離式雙幅橋，跨徑組合為(3×25m+3×25m)，全長156m，左、右幅橋1#、2#墩均設置墩梁固結。該橋在L1#、L2#、L5#跨T梁腹板存在較多豎向裂縫，跨中附近較為密集。

圖4 工程實例橋梁

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)

4.2.1 監(jiān)測內容

(1)該橋為多梁體系，其橫向連接的作用將影響到梁板間的受力分配，單片梁的內力過大會引發(fā)自身安全問題，有必要進行結構橫向整體性能監(jiān)測。

(2)該橋T梁腹板上存在開裂的問題，有必要進行結構裂縫監(jiān)測，掌握橋梁裂縫發(fā)展情況。

根據(jù)橋梁結構特點，結合該橋梁技術現(xiàn)狀確定監(jiān)測內容(表4)。

表4 監(jiān)測目的與內容

4.2.2 測點布置

4.2.2.1 應變監(jiān)測點

本文選擇病害相對較為嚴重的第1～2跨進行應變實時監(jiān)測。應變監(jiān)測設置三個截面，位于第一跨、第二跨跨中以及第二跨靠近1#墩的墩頂，如圖5所示。

圖5 應變監(jiān)測截面

每個截面布置13個光纖應變傳感器、5個光纖溫度傳感器，應變測點沿截面布置方案如圖6所示。

圖6 應變測點沿截面布置方案

4.2.2.2 裂縫監(jiān)測點

采用光纖光柵應變傳感器跨縫布設對裂縫寬度進行監(jiān)測，標距長度為110mm，全橋共布設6個傳感器，測點布置如圖7所示。

圖7 裂縫監(jiān)測測點布置

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及評估

4.3.1 應變

圖8為應變瞬時變化曲線，可以看出,重車過橋時會引起結構應變突變，車輛荷載引起的梁底應變可達20με，同一截面底板應變反應具有一致性。

圖8 應變瞬時監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9為應變長期監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線，可以看出，結構應變隨溫度會發(fā)生規(guī)律性的波動，具有周期性變化特征。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明應變未發(fā)生持續(xù)增大或變小的現(xiàn)象，橋梁運行狀態(tài)正常。

圖9 應變長期監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.3.2 裂縫

圖10為裂縫瞬時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線，可見在長期車輛荷載反復作用下，裂縫長期處于拉壓循環(huán)狀態(tài)，車輛荷載會引起120με，折合成裂縫寬度為0.013 2mm。

圖1 典型大懸臂蓋梁有限元模型

圖10 裂縫瞬時監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖11為裂縫長期變化曲線，可以看出，因溫度作用引起裂縫出現(xiàn)張開或合攏的現(xiàn)象，日溫差引起裂縫最大開合量接近500με，經(jīng)過換算裂縫寬度變化可達0.055mm。目前裂縫寬度暫未超過規(guī)范限值也未出現(xiàn)持續(xù)擴展的現(xiàn)象，但在長期荷載作用下，裂縫勢必會繼續(xù)發(fā)展，建議對其長期監(jiān)測并實時跟蹤裂縫的變化情況。

圖11 裂縫長期監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.3.3 結構橫向整體性

4.3.3.1 結構橫向協(xié)同工作性能指標

定義相鄰梁底動應變相關系數(shù)作為梁橋橫向協(xié)同工作性能指標[6-7]，指標系數(shù)越接近于1，說明各梁底動應變相關性強，各片梁間連接狀況好，結構整體性能優(yōu)。

式中：Cov表示協(xié)方差；εi、εj為監(jiān)測得到的第i、j片梁梁底橫向應變的時間序列，i、j=1,2…,n;n為梁總數(shù)；D表示方差。

4.3.3.2 結構橫向協(xié)同工作性能評估

圖12和圖13表示計算整個ρij矩陣的結果，可以看出矩陣的主對角線均為1(ρ11,ρ22,…,ρ77)，而與對角線相連的ρ12,ρ23,…,ρ67等代表了相鄰兩片梁之間應變變化的相關性，均接近于1；兩片梁距離越遠，指標系數(shù)值越小，兩者結構響應的相關性越小。

圖12 指標系數(shù)矩陣

圖13 指標系數(shù)矩陣三維

為避免偶然因素的干擾，本文選取1月～6月每個月13日全天的數(shù)據(jù)進行計算，計算結果見表5和表6?？梢钥闯?，用于評價各相鄰梁之間聯(lián)接相對剛度的指標系數(shù)除C截面ρ23略微小于0.8外，其余系數(shù)值普遍均處于0.80～0.95之間，表示相鄰兩片T梁的受力較為均勻，橋梁橫向的整體性能良好。

表5 A截面指標系數(shù)計算值

表6 C截面指標系數(shù)計算值

5 結語

(1)目前橋梁健康監(jiān)測的研究與應用主要集中于特大型橋梁，中小跨徑橋梁健康監(jiān)測方面的研究成果不多，現(xiàn)行健康監(jiān)測規(guī)范也不太適用于中小橋梁。本文開展了中小橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計，并進行了實橋驗證和應用，對某連續(xù)剛構T梁橋的監(jiān)測系統(tǒng)進行設計與實施，基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁橫向整體連接性能進行了評估。

(2)本文從中小跨徑橋梁監(jiān)測范圍、監(jiān)測內容等方面進行探討，針對特殊結構或特殊現(xiàn)狀中小橋的特點，分別給出了相關的監(jiān)測建議，使中小橋的健康監(jiān)測更具針對性。

(3)考慮到中小橋分布范圍廣、養(yǎng)護經(jīng)費少等因素，本文從硬件、數(shù)據(jù)采集與傳輸、軟件、供電等方面對中小橋監(jiān)測系統(tǒng)進行了針對性設計，可有效降低系統(tǒng)建設和運營成本，提高管養(yǎng)資金的使用效率。