淺談健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

楊云云

（甘肅省臨夏公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 臨夏 731100）

0 引言

劉家峽大橋于2013 年12 月通車運(yùn)營(yíng)，該橋?yàn)閱慰珉p索面地錨式懸索橋，為當(dāng)時(shí)西北地區(qū)最大跨度的懸索橋。從掌握的資料看，橋梁寬度在同規(guī)模橋梁中最窄，首次采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為懸索橋橋塔，橋塔為當(dāng)時(shí)世界上最大直徑的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，重要性十分突出。為了更好地對(duì)該橋進(jìn)行管養(yǎng)，在其上安裝了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位的監(jiān)測(cè)，使管理人員在控制室內(nèi)就可了解現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生和即將發(fā)生的重要事件，并能迅速采取果斷措施加以處理，有效提高綜合防范和安全管理能力。本文結(jié)合劉家峽大橋的實(shí)踐，對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。

1 橋梁概況

劉家峽大橋?yàn)閱慰?36m雙鉸簡(jiǎn)支鋼桁梁雙索面懸索橋，建成于2013年。臨夏折橋側(cè)邊纜跨度148m，蘭州達(dá)川側(cè)邊纜跨度113m，兩邊跨均無(wú)吊索。主纜中心距為15.6m，吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距為8m。錨碇為混凝土三角框架式。門式框架鋼管混凝土橋塔，基礎(chǔ)為18根直徑2m 的灌注樁，臨夏岸橋塔樁長(zhǎng)35m，永靖岸塔樁長(zhǎng)25m。主纜為PPWS，主纜每根44股，一股有127根直徑5.2mm 鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，主纜外徑為42.93cm、43.46cm，由73 根直徑5.0mm鋼絲組成一束吊索。加勁梁為鋼桁梁，橋面為正交異性板，弦桿高4m，弦桿全寬16.105m。加勁梁在兩端各設(shè)置豎向支座2個(gè)，橫向抗風(fēng)支座4個(gè)。橋面鋪裝采用3cm 厚環(huán)氧瀝青和3cm 厚瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的意義和必要性

公路橋梁在自然環(huán)境(大氣腐蝕、濕度及溫度變化等)、使用環(huán)境(荷載作用與頻率增加、材料與結(jié)構(gòu)疲勞加劇等)和外部各種因素影響下，會(huì)慢慢產(chǎn)生缺陷和損壞，若持續(xù)發(fā)展會(huì)致使橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害、行車隱患，嚴(yán)重影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)發(fā)生多起橋梁坍塌事件。為了保障橋梁運(yùn)營(yíng)安全，橋梁管理單位通常采用的技術(shù)手段是人工檢查，這種方式獲取的數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽病害，難以有效保障橋梁安全。據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路委員會(huì)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，人工檢查的結(jié)果不恰當(dāng)?shù)挠?6%。如美國(guó)密西西比河大橋垮塌事件，垮塌前2年人工檢查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害。這些嚴(yán)重的橋梁安全事故使人們認(rèn)識(shí)到了人工檢測(cè)技術(shù)存在的不足和局限性，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的必要性和重要性。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已在我國(guó)發(fā)展近30 年時(shí)間，逐步走向成熟，也對(duì)我們橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位提供了科學(xué)決策的數(shù)據(jù)支撐，為橋梁安全運(yùn)行發(fā)揮積極作用。

3 健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037-2016)相關(guān)規(guī)程，結(jié)合橋梁管養(yǎng)實(shí)際，劉家峽大橋橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)施內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)溫度、索力、環(huán)境溫濕度、梁端位移、交通荷載、自振頻率等8 個(gè)模塊及人工檢查?，F(xiàn)介紹健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容中主要的7個(gè)方面。

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)變形模塊

橋梁結(jié)構(gòu)是否變形是橋梁安全運(yùn)行的最直觀的指標(biāo)。如果結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，說(shuō)明結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去了應(yīng)力平衡，橋梁可能會(huì)隨時(shí)傾覆。所以布設(shè)結(jié)構(gòu)變形模塊對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析是非常必要的。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)模塊

首先，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力必須符合設(shè)計(jì)規(guī)范。其次，結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生超限變化，必然影響結(jié)構(gòu)材料的耐久性，材料性能變化必然引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、應(yīng)力集中等惡性變化，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力持續(xù)監(jiān)測(cè)可以提前判斷、分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以布設(shè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力模塊對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析是非常必要的。

3.3 環(huán)境溫、濕度監(jiān)測(cè)模塊

橋梁安全運(yùn)行中環(huán)境影響是不可忽略的。溫度變化不僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)材料性能有所影響，還對(duì)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集元器件性能有所影響，所以有必要同步監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)溫度。劉家峽大橋鋼構(gòu)件較多，濕度對(duì)結(jié)構(gòu)防腐影響較大，有必要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)濕度超出規(guī)定值時(shí)，啟用必要的除濕程序，改善環(huán)境濕度。

3.4 梁端位移監(jiān)測(cè)模塊

劉家峽大橋?yàn)閼宜鳂?，其剛度較小，在溫度、汽車制動(dòng)力、風(fēng)力、地震等作用下可能會(huì)產(chǎn)生超限的縱向水平位移，會(huì)嚴(yán)重影響橋梁安全運(yùn)行。

3.5 索力監(jiān)測(cè)模塊

劉家峽大橋作為懸索橋，其纜索系統(tǒng)是橋梁的重要組成部分，發(fā)揮著非常重要的作用。其中主纜為上部結(jié)構(gòu)主要承重結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)將恒載和活載傳遞至錨碇和索塔，而吊索負(fù)責(zé)將加勁梁和橋面板以及通行的行人車輛荷載傳遞至主纜。纜索系統(tǒng)的破壞直接影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全，所以有必要對(duì)主纜和吊索的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.6 自振頻率監(jiān)測(cè)模塊

自振頻率直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)息息相關(guān)，如橋梁自振頻率與受到的外界振動(dòng)頻率一致，就會(huì)發(fā)生共振，會(huì)導(dǎo)致橋梁構(gòu)件損壞，自振頻率將會(huì)發(fā)生變化，如果共振嚴(yán)重時(shí)可能影響橋梁的安全運(yùn)行，所以有必要對(duì)自振頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.7 車輛荷載監(jiān)測(cè)模塊

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，劉家峽大橋車流量陡增，伴隨著超限超載車輛長(zhǎng)期作用，橋梁技術(shù)狀況急劇惡化、嚴(yán)重影響橋梁服役時(shí)間。并且近年來(lái)超載超限車輛通行致使橋梁損毀的案例也時(shí)常發(fā)生，所以布設(shè)車輛荷載監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化并預(yù)警，配合電子抓拍系統(tǒng)對(duì)車輛信息進(jìn)行收集，可與路政執(zhí)法部門進(jìn)行聯(lián)合治超，保護(hù)橋梁運(yùn)行安全。

4 監(jiān)測(cè)模塊的布設(shè)

4.1 橋梁應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)

（1）加勁梁應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)。在橋梁主跨加勁梁L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8 斷面處，分別安裝4支應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)加勁梁應(yīng)變及溫度變化情況，共安裝28支。

（2）橋塔應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)。在每個(gè)橋塔根部斷面安裝應(yīng)變傳感器，測(cè)量橋塔應(yīng)力。傳感器在橫斷面布設(shè)在橫橋向和縱橋向兩個(gè)方向的4 個(gè)位置，共安裝16支。

（3）索股拉力監(jiān)測(cè)。在每個(gè)錨室選取8 根索股，對(duì)索股索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在每個(gè)索股的2 根拉桿上安裝應(yīng)變傳感器，每個(gè)錨室安裝16支，共64支。

（4）橋面板動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在3 跨橋面板各布設(shè)12支應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測(cè)橋面板動(dòng)應(yīng)變，監(jiān)測(cè)正交異性橋面板動(dòng)應(yīng)變指標(biāo)。

全橋共計(jì)布設(shè)144支應(yīng)變傳感器。

4.2 變形監(jiān)測(cè)

（1）加勁梁撓度監(jiān)測(cè)。在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面上游布設(shè)GNSS 測(cè)點(diǎn)，并在橋頭布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)加勁梁空間變形。

（2）橋塔變形監(jiān)測(cè)。在4個(gè)橋塔塔頂格柵處各布設(shè)1 個(gè)GNSS 測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)橋塔三維變形。在4 個(gè)塔頂各布設(shè)2個(gè)光纖光柵傾角計(jì)，監(jiān)測(cè)縱橋向和橫橋向兩個(gè)方向的橋塔傾斜變化。

（3）伸縮縫位移監(jiān)測(cè)。全橋共4 道伸縮縫，每道伸縮縫安裝2個(gè)拉線式位移計(jì)，監(jiān)測(cè)橋梁伸縮縫位移。

（4）主纜變形監(jiān)測(cè)。在本橋3 跨跨中上、下游主纜各布設(shè)一個(gè)GNSS測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)主纜變形。

全橋共布設(shè)18個(gè)GNSS測(cè)點(diǎn)、8支傾角計(jì)，8支拉線式位移計(jì)。

4.3 動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

（1）加勁梁動(dòng)力特性。根據(jù)通用有限元軟件Midas Civil 振型計(jì)算結(jié)果，在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面處各布設(shè)1 支雙向或三向加速度傳感器，分別監(jiān)測(cè)加勁梁橫向和豎向加速度。

（2）橋塔動(dòng)力特性。在4個(gè)橋塔頂部各安裝1支雙向或三向加速度傳感器，分別監(jiān)測(cè)橋塔縱橋向和橫橋向加速度。

（3）吊索索力監(jiān)測(cè)。劉家峽大橋每幅索面65 根吊索，每一幅索面選擇其中13根吊索安裝加速度傳感器，用于測(cè)量吊索索力。

全橋共計(jì)布置37支加速度傳感器。

4.4 環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

在4 個(gè)錨室內(nèi)、4 個(gè)主索鞍鞍罩內(nèi)以及加勁梁1/4、1/2、3/4 斷面橋面處安裝溫濕度計(jì)，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度及濕度。溫濕度傳感器全橋共安裝11支。

4.5 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)

（1）塔頂風(fēng)速風(fēng)向：在4 個(gè)塔頂各安裝1 支風(fēng)速風(fēng)向儀，用于監(jiān)測(cè)塔頂風(fēng)速和風(fēng)向；

（2）橋面風(fēng)速風(fēng)向：在跨中上下游橋面各安裝1 支風(fēng)速風(fēng)向儀，監(jiān)測(cè)橋面風(fēng)速風(fēng)向。

全橋共安裝6支風(fēng)速風(fēng)向儀。

4.6 橋梁視頻監(jiān)控

在兩側(cè)上游橋塔塔頂格柵、兩側(cè)橋頭以及加勁梁兩端，各安裝一臺(tái)高清球機(jī)，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)狀況、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。全橋安裝6支。

4.7 橋梁動(dòng)態(tài)稱重及電子抓拍

在蘭州岸散索鞍支墩處布設(shè)動(dòng)態(tài)稱重及電子抓拍系統(tǒng)，對(duì)通行車輛特別是超載貨車進(jìn)行實(shí)時(shí)不停車稱重及對(duì)公路載荷信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和處理。在稱重傳感器前后25m 左右位置處安裝車牌抓拍攝像機(jī)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)，不但可以對(duì)超載車輛進(jìn)行有效的識(shí)別，還可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行24h監(jiān)控。

當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)稱重區(qū)域時(shí)，數(shù)據(jù)采集器采集并分析運(yùn)輸車輛的軸重、車輛總重、車輛通過(guò)速度、車型、軸距、車輛是否通過(guò)等信息。

當(dāng)被檢測(cè)車輛完全通過(guò)后，數(shù)據(jù)采集器將采集到的車輛初始信息傳輸至稱重儀表，稱重儀表通過(guò)計(jì)算輸出完整的車輛信息(包括軸重、車輛總重、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、通過(guò)速度、通過(guò)加速度/減速度、通過(guò)時(shí)間、通過(guò)車道等)，然后，稱重儀表將車輛數(shù)據(jù)和車牌數(shù)據(jù)匹配打包后上傳給現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)管理工控機(jī)。

5 安全預(yù)警及監(jiān)測(cè)閾值

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)狀況以及相關(guān)技術(shù)資料確定出針對(duì)該橋?qū)嶋H狀況的安全技術(shù)指標(biāo)及其閾值。

5.1 安全預(yù)警級(jí)別

劉家峽大橋安全預(yù)警狀態(tài)分為綠、黃、橙、紅四級(jí)：

（1）結(jié)構(gòu)響應(yīng)綠色，結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)；

（2）結(jié)構(gòu)響應(yīng)黃色，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常；

（3）結(jié)構(gòu)響應(yīng)橙色，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)情況；

（4）結(jié)構(gòu)響應(yīng)紅色，表示結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果，當(dāng)判斷結(jié)構(gòu)處于“安全”狀態(tài)，則繼續(xù)實(shí)時(shí)評(píng)估；當(dāng)實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)估結(jié)果超過(guò)安全閾值時(shí)，判斷結(jié)構(gòu)處于“不安全”狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的預(yù)警級(jí)別發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)以及管制措施，并按照預(yù)警后觸發(fā)方式啟動(dòng)安全評(píng)估系統(tǒng)對(duì)其橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進(jìn)行全面的評(píng)估；當(dāng)實(shí)時(shí)預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)不能判斷結(jié)構(gòu)安全與否，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)按照預(yù)警后觸發(fā)方式自動(dòng)調(diào)用安全評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面評(píng)估，進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)是否處于“安全”狀態(tài)，若處于“不安全”狀態(tài)，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

5.2 預(yù)警措施

不同預(yù)警級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的預(yù)警措施，具體如下：

（1）黃色預(yù)警：記錄預(yù)警狀態(tài)，由養(yǎng)護(hù)單位技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查看報(bào)警區(qū)域傳感器及結(jié)構(gòu)是否存在異常，定期檢查時(shí)重點(diǎn)核查；

（2）橙色預(yù)警：養(yǎng)護(hù)單位及時(shí)上報(bào)運(yùn)營(yíng)管理單位，運(yùn)營(yíng)管理單位次日組織相關(guān)單位及技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查，5日內(nèi)出具橙色預(yù)警處治報(bào)告；

（3）紅色預(yù)警：養(yǎng)護(hù)單位及時(shí)上報(bào)運(yùn)營(yíng)管理單位，并派駐技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查看，運(yùn)營(yíng)管理單位當(dāng)日組織相關(guān)單位及技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全橋檢查，必要時(shí)進(jìn)行交通管制，次日提交紅色預(yù)警處治報(bào)告。

5.3 預(yù)警閾值設(shè)定

安全預(yù)警模塊通過(guò)建立局部測(cè)點(diǎn)閾值、參數(shù)類別閾值、整體工作閾值的多層次閾值體系實(shí)現(xiàn)，目的在于根據(jù)閾值預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷、防止突發(fā)破壞并為特殊災(zāi)害下的管理措施提供依據(jù)。實(shí)時(shí)安全預(yù)警設(shè)黃色和紅色兩級(jí)，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，預(yù)警信息包括預(yù)警級(jí)別、報(bào)警傳感器編號(hào)和位置、報(bào)警的監(jiān)測(cè)值和預(yù)警值。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控橋梁的安全十分必要，也十分重要。從劉家峽大橋的實(shí)踐來(lái)看，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。未來(lái)，為全面、實(shí)時(shí)掌握大橋運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，有必要建立一套現(xiàn)代化的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立一套數(shù)字化、信息化、智能化、科學(xué)有序的養(yǎng)護(hù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)各種關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期、適時(shí)、系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)，并對(duì)橋梁的技術(shù)狀況和承載能力作出評(píng)估，制定緊急狀況應(yīng)急預(yù)案，在結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出警告，為大橋管養(yǎng)維修決策提供更加具有針對(duì)性的參考和指導(dǎo)，更加合理配置管養(yǎng)資源，進(jìn)一步降低大橋壽命期內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修成本，實(shí)現(xiàn)“全壽命周期內(nèi)的監(jiān)管養(yǎng)護(hù)”的目標(biāo)。