健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁運營中的應(yīng)用

彭虹霖,陳 新

(中鐵長江交通設(shè)計集團有限公司,重慶 401121)

橋梁是交通路線的重要節(jié)點,而大型橋梁更是其中的生命線工程,因此橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況對交通系統(tǒng)的安全及區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展具有重大的影響。而橋梁在服役過程中,隨著時間的推移,交通流量、行車速度等的不斷提高,再加上一些不可預(yù)測的不良環(huán)境條件影響,其內(nèi)力狀態(tài)將逐漸偏離設(shè)計狀態(tài),結(jié)構(gòu)安全性隨之降低,嚴重時甚至?xí)?dǎo)致橋梁垮塌等突發(fā)事件。為保證橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中的安全性,同時為后期的養(yǎng)護管理提供決策依據(jù),因此,及時有效地掌握橋梁的健康狀況變得極其重要。而目前的橋梁技術(shù)狀況評估手段主要是橋梁定期檢測和靜動載試驗,雖然二者技術(shù)比較成熟,在實際中也得到了廣泛應(yīng)用,但其固有的缺點仍然不可忽視。

(1)檢測周期長。檢測的實施需要進行前期的規(guī)劃與準備,檢測過程時間較長,無法預(yù)測并應(yīng)對結(jié)構(gòu)的突發(fā)狀況。

(2)投資成本大。這類方法要求大量的人力、物力與財力,并會對交通造成不同程度的影響,其經(jīng)濟效益值得分析。

(3)檢測結(jié)果的可靠性值得商榷。檢測結(jié)果與檢測人員的專業(yè)水平和經(jīng)驗相關(guān),受主觀影響較大,檢測結(jié)果難以真實反映結(jié)構(gòu)的實際狀況。

隨著信息傳感技術(shù)的快速發(fā)展,“主動預(yù)防式”的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念應(yīng)運而生,該技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁的服役狀態(tài),真實地反映橋梁的實際使用情況,及時發(fā)現(xiàn)其安全隱患并預(yù)警,可避免因結(jié)構(gòu)性災(zāi)害而引起重大事故的發(fā)生。當(dāng)前,橋梁健康監(jiān)測的理論與技術(shù)應(yīng)用研究已逐漸成為科研領(lǐng)域、工程領(lǐng)域和管理養(yǎng)護領(lǐng)域等共同關(guān)注的熱點。

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 健康監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)涵

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在三個方面。(1)結(jié)構(gòu)監(jiān)測與評估:對橋梁工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控,當(dāng)橋梁運營異常時觸發(fā)預(yù)警信號,為橋梁的養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)。(2)設(shè)計驗證:通過健康監(jiān)測手段獲得實際橋梁結(jié)構(gòu)的動力和靜力數(shù)據(jù),以此來驗證分析模型、計算假定與結(jié)果;其更深遠的意義在于可能會帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與標準規(guī)范等的改變。(3)研究發(fā)展:橋梁健康監(jiān)測是一種現(xiàn)場的橋梁足尺模型研究,健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息是對理論研究和試驗分析的補充與驗證,同時它還可提供與結(jié)構(gòu)相關(guān)的最真實的環(huán)境信息,為關(guān)于橋梁未知問題的研究提供了新的契機[1-3]。

1.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成,它們分別在不同的軟件和硬件環(huán)境中運行,通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同進行工作,共同完成對橋梁的健康監(jiān)測。(1)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):主要功能是通過人工檢測手段或安裝在橋梁上的各類傳感器獲取結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù),具有實時采集與傳輸?shù)墓δ?包括位移計、溫度計、應(yīng)變計、風(fēng)速風(fēng)向儀及連接介面等;(2)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng):主要功能是對實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)和不斷修正的模型數(shù)據(jù)進行儲存,形成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與模型數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)結(jié)構(gòu)評估等功能提供大數(shù)據(jù)支持,包括信號拾取器與對應(yīng)的存儲設(shè)備等;(3)仿真分析系統(tǒng):包括高性能計算機及專業(yè)分析軟件等,主要功能是對所采集的海量結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)進行處理和分析,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的識別并發(fā)出預(yù)警信號;(4)綜合評估決策系統(tǒng):以上述分析結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合專家意見,對橋梁的健康狀況進行評估,并給出決策建議。[4]

1.3 橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容

健康監(jiān)測的作用與目的決定了其監(jiān)測的主要內(nèi)容,同時,橋梁的規(guī)模與類型、重要性以及投資等也會在一定程度上影響監(jiān)測內(nèi)容的選擇。目前,橋梁健康監(jiān)測的主要出發(fā)點仍是對結(jié)構(gòu)的監(jiān)控與評估,因此,結(jié)合健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與橋梁結(jié)構(gòu)理論,橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容包括:(1)正常環(huán)境與使用條件下的結(jié)構(gòu)物理力學(xué)狀態(tài),如結(jié)構(gòu)位移與撓度、構(gòu)件應(yīng)力與內(nèi)力等;(2)橋址的環(huán)境信息,如大氣溫度、濕度、風(fēng)向與風(fēng)速等;(3)橋梁中重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài),如支座位移、基礎(chǔ)沉降等;(4)橋梁各構(gòu)件的耐久性,如混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、纜索與吊桿的腐蝕等[5]。

2 工程實例應(yīng)用

2.1 工程背景

石河子市軍墾一橋(原石河子市西一路高架橋跨北疆鐵路斜拉橋)為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,橋梁全長179.84 m,跨徑組合為89.92+89.92 m,采用“塔-梁-墩固接”的剛構(gòu)體系,主梁采用肋板式斷面,塔柱采用空心矩形截面,斜拉索采用扇形布置,橋面以上塔高41.709 m,為A型橋塔;橋?qū)?0 m,其中行車道16 m,防撞護欄2×0.5 m,拉索錨固區(qū)2×1.5 m。設(shè)計汽車荷載:城市A級;設(shè)計安全等級:一級;地震烈度:地震動峰值加速度0.2 g;跨鐵路凈空要求:8.25 m;環(huán)境類別:Ⅱ類。

為了掌握橋梁運營初期結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的發(fā)展變化規(guī)律,保證橋梁的安全運營,同時為后期管理養(yǎng)護積累數(shù)據(jù),對本橋進行了定期的健康監(jiān)測。

2.2 健康監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測方式

本橋健康監(jiān)測的目的主要是結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與評估,根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合現(xiàn)場的實際情況,確定了本橋的健康監(jiān)測內(nèi)容為斜拉索索力、主梁及塔柱控制截面應(yīng)力、主梁線形和溫度四部分。

(1)斜拉索索力的監(jiān)測。通過監(jiān)測斜拉索在長期荷載和活載作用下的索力變化,了解和掌握斜拉索的受力狀態(tài)以及橋梁結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)狀態(tài);索力的監(jiān)測利用布置在斜拉索上的穿心式傳感器(壓力環(huán))進行直接監(jiān)測并結(jié)合多通道動測法進行間接測量。

(2)主梁及塔柱的應(yīng)力監(jiān)測。通過對主梁和塔柱各控制斷面應(yīng)力的監(jiān)測,了解和掌握主梁在服役期間內(nèi)各測試斷面應(yīng)力的變化情況,預(yù)測主梁的健康狀態(tài),從而實現(xiàn)預(yù)警功能,保證其使用的安全性;應(yīng)力的監(jiān)測通過施工監(jiān)控時已布置的測點應(yīng)變計進行,將其中的部分測點納入健康監(jiān)測系統(tǒng)。

(3)主梁線形監(jiān)測。主梁線形的監(jiān)測就是監(jiān)測其撓度的變化,撓度是評價橋梁健康質(zhì)量和運營狀態(tài)最直接的指標之一,由于撓度是一維豎向變形,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況確定采用常規(guī)的水準測量方法進行監(jiān)測。

(4)溫度的監(jiān)測。通過對溫度的監(jiān)測可以了解橋梁結(jié)構(gòu)的溫度隨環(huán)境溫度的變化情況;橋梁溫度的監(jiān)測利用應(yīng)變計上自帶的溫度傳感器進行監(jiān)測,環(huán)境溫度的監(jiān)測利用環(huán)境溫度計進行測試。

2.3 健康監(jiān)測測點布設(shè)

(1)斜拉索索力測點。

本橋橋塔為A型橋塔,斜拉索采用扇形雙索面布置。健康監(jiān)測系統(tǒng)中的對應(yīng)模塊已設(shè)置了3根斜拉索的穿心式傳感器自動采集,壓力環(huán)測點布置在西北5號索、西北6號索和西南3號索處。

(2)主梁及塔柱應(yīng)力測點。

以結(jié)構(gòu)的理論分析為基礎(chǔ),利用施工監(jiān)控模型對本橋進行仿真分析。

根據(jù)分析結(jié)果,主梁選擇3個控制測試斷面,分別位于兩邊跨跨中及主梁根部處;橋塔則充分利用施工監(jiān)控時已布置傳感器的斷面。主梁及塔柱的應(yīng)力測試斷面布置如圖1所示。

圖1 主梁及塔柱應(yīng)力測試斷面(單位:cm)

其中,C-C斷面共布置14個應(yīng)變傳感器,D-D斷面共布置11個應(yīng)變傳感器,E-E斷面共布置13個應(yīng)變傳感器。橋塔測試斷面的測點共布置6個應(yīng)變傳感器。

(3)主梁撓度測點。

主梁撓度的監(jiān)測借助于在橋梁上已建立的永久測點,永久測點共布置兩條測線,分別位于橫橋向兩側(cè)護欄內(nèi)。

2.4 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為了實時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的變形情況和受力狀態(tài),采用無線數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng),通過GPRS定位系統(tǒng),采用CMNET傳輸方式將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至控制計算機。整個健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和綜合評估決策系統(tǒng)組成,如圖2所示。

圖2 本橋?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)

2.5 健康監(jiān)測結(jié)果分析

本橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)隨著橋梁開始服役同步投入使用,迄今為止,已完成了對結(jié)構(gòu)的6次定期監(jiān)測分析。為了驗證該系統(tǒng)的可靠性,同時探索橋梁健康監(jiān)測應(yīng)用方式的多樣性,以第6次的監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合前5次的監(jiān)測結(jié)果進行了數(shù)據(jù)的分析與綜合對比。

(1)斜拉索索力的監(jiān)測與分析。

利用埋設(shè)的壓力環(huán)采集西北5號索、西北6號索和西南3號索索力,同時,采用動測法對全橋索力進行了測試。動測法結(jié)果、壓力環(huán)數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比如圖3所示,以西北面斜拉索為例,其索力六次監(jiān)測結(jié)果與設(shè)計值的綜合對比如圖4所示。

圖3 壓力環(huán)、動測法與設(shè)計值對比

圖4 西北面索索力監(jiān)測結(jié)果對比

由斜拉索索力的監(jiān)測結(jié)果可得出如下結(jié)論。

①壓力環(huán)法測得的數(shù)據(jù)與設(shè)計值相比,差值在±7%以內(nèi),基本不超過±3%;與動測法所測數(shù)據(jù)相比最大差值在±5%之內(nèi)。表明本橋的索力健康監(jiān)測測試數(shù)據(jù)準確可靠,系統(tǒng)工作狀態(tài)良好,滿足監(jiān)測要求。

②第一次至第六次的監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計值的綜合對比顯示,大橋服役以來,各斜拉索索力與設(shè)計值變化趨勢相同,吻合度較好,排除測量誤差的影響,其間出現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)值波動屬于工程可接受范圍內(nèi)的正?，F(xiàn)象,表明大橋各斜拉索處于正常工作狀態(tài),滿足服役使用要求。

(2)主梁及塔柱應(yīng)力的監(jiān)測與分析。

主梁各監(jiān)測控制斷面的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 C-C斷面監(jiān)測結(jié)果對比

圖6 D-D斷面監(jiān)測結(jié)果對比

圖7 E-E斷面監(jiān)測結(jié)果對比

橋塔監(jiān)測斷面的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 橋塔斷面監(jiān)測結(jié)果對比

由主梁及塔柱各測試斷面的監(jiān)測結(jié)果可以看出主梁各監(jiān)測斷面都不同程度地出現(xiàn)了數(shù)據(jù)缺失,如C-C斷面的2、3、9和11～14號測點,D-D斷面的2、9和11號測點,E-E斷面的3、7號測點。分析其原因,是由于傳感器自身的問題導(dǎo)致了個別數(shù)據(jù)采集異?；蛉笔?故在數(shù)據(jù)處理時對異常數(shù)據(jù)予以了剔除,但各監(jiān)測斷面的傳感器數(shù)量布置充足,個別傳感器的失效或數(shù)據(jù)異常不會對結(jié)構(gòu)的監(jiān)測評估結(jié)果造成影響。

總體而言,主梁及橋塔的應(yīng)力監(jiān)測值遠小于截面控制應(yīng)力,說明大橋處于正常的工作狀態(tài);同一監(jiān)測點的監(jiān)測值雖有波動,但波動不大,考慮自身誤差和溫度等引起的誤差影響,認為其屬于合理范圍。

(3)主梁線形的監(jiān)測與分析。

利用主梁兩側(cè)布置的永久測點監(jiān)測的橋梁線形結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 東側(cè)點線形監(jiān)測結(jié)果對比

圖10 西側(cè)點線形監(jiān)測結(jié)果對比

通過比較橋面高程設(shè)計值與六次監(jiān)測結(jié)果可知,大橋整體線形平順,各測點高程及變化規(guī)律符合設(shè)計要求,兩側(cè)高程監(jiān)測值與設(shè)計值相比較為接近,且均高于設(shè)計值,表明大橋運營良好,符合橋梁狀態(tài)控制要求。

3 結(jié) 論

就傳統(tǒng)橋梁技術(shù)狀況評定手段的優(yōu)缺點及“主動預(yù)防式”橋梁健康監(jiān)測的意義進行了闡述,總結(jié)了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵及監(jiān)測系統(tǒng)的功能,探討了典型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成和主要監(jiān)測內(nèi)容。以實體工程石河子市軍墾一橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實施為依托,通過對大橋自服役以來的6次監(jiān)測結(jié)果分析可知:健康監(jiān)測系統(tǒng)在該實際工程中具有良好的應(yīng)用效果,能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)狀況預(yù)警的準確性,為決策者準確判斷橋梁的健康狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐。