金水溝大橋健康監測系統研究

李子春，楊雅勛，郝憲武

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064)

傳統的橋梁檢測工作是采用人工檢測手段分別對橋梁的關鍵部位單獨檢測，對于一般的橋梁結構，這種處理方法是可行的，然而對于大型橋梁結構，由于其主要承重構件數量眾多，如果仍然使用傳統方法，則對橋梁現場的實際情況將難以全面掌握。為了解決這一問題，研究橋梁結構健康監測系統，實時自動監測橋梁結構的工作環境和結構性能，將是大型橋梁結構檢測方式的發展趨勢［1］。

我國自20世紀90年代以來，修建了為數不少的剛構—連續梁橋，這些橋梁在運營過程中逐漸暴露出一些病害，而橋梁健康監測系統在體現橋梁健康狀況方面起到很大的作用，為橋梁的日常維護和運營管理提供了科學依據［2］。本文以金水溝大橋健康監測系統的建設為例，建立了橋梁的有限元模型，計算了大橋的自振特性，結合大橋自身結構特點，設計了健康監測的實施方案，為金水溝大橋健康監測系統的實施打下基礎。

1 金水溝大橋有限元分析

金水溝大橋是國道主干線(GZ40)禹門口—西安段高速公路上的一座特大型橋梁。橋梁全長850 m，采用預應力混凝土連續剛構與連續梁組合結構形式，跨徑為(88+5 × 136+78)m，其中 1#、5#、6#墩頂設置支座，其余橋墩的主梁與墩頂固結(參見圖2)。

本文采用有限元軟件ANSYS來建立金水溝大橋的計算模型，其中主梁、主墩采用空間變截面梁單元Beam188，二期恒載采用質量單元Mass21。

采用子空間法(Subspace Method)計算金水溝大橋自振特性。表1給出了金水溝大橋模型的前10階頻率，前6階振型如圖1所示。

表1 模型前10階頻率

圖1 全橋第1～第6階振型

2 健康監測項目的選擇

橋梁健康監測項目的選擇，應首先盡可能反映橋梁運營期間的結構實際工作狀態，并滿足橋梁管理部門、維修養護部門的有關要求，確定系統需要獲取哪些信息;其次應結合監測費用，從大量可選項目中選取適當項目實施，達到最大費用—效益比［3］。

橋梁結構健康監測項目包括3個方面的內容:工作環境監測、結構狀態監測和結構響應監測。從金水溝大橋健康監測的目的出發，根據該橋的結構特點和健康監測的功能要求，確定該橋健康監測主要包括以下項目［4］:

1)橋址處風速、風向的監測;

2)環境溫度和橋梁各構件溫度分布的監測;

3)車輛荷載的監測;

4)橋梁幾何線型的監測;

5)結構振動的監測;

6)主要承重構件受力的監測;

7)支座位移的監測。

3 健康監測儀器的選擇及測點布置

對于具體橋梁健康監測而言，傳感器的選型是非常重要的［5］。根據監測項目的不同，對金水溝大橋健康監測傳感器進行如下選擇:

1)風速、風向

采用EDZ-I型風向風速儀進行風速、風向的監測。EDZ-I型風向風速儀可實時對風向、風速(瞬時、2 min、10 min)、風變量、風極值等進行自動觀測。該儀器采用玫瑰圖和數字方式顯示風向及風速、風變量、極值、實時時鐘，可實現單站測量也可實現多站測量。

2)溫度、應力

考慮到要適合長期觀測并能保證足夠的精度，溫度和應力監測的儀器選用加拿大ROCTEST公司出產的SM-5A弦式表面應變計。這種應變計可以同時測應變和溫度，而且測試誤差小、性能穩定，適合長期觀測。

3)車輛荷載

為了掌握過橋車輛的載重信息，在左右幅橋梁車道各入口處安裝壓力傳感器，采用實時觸發采樣。

4)幾何線型

金水溝大橋幾何線型監測采用光電測距法。光電測距法是通過布置在主梁及墩身的棱鏡，與測量用的德國蔡司(ZEISS)全站儀配合使用，即形成光載波通信系統，利用全站儀的紅外激光探測功能，對棱鏡進行連續監測，從而確定主梁和墩身的變位情況。金水溝大橋幾何線型監測采用長期定時監測，每月測試一次。

5)結構振動

振動監測使用的傳感器是中國地震局哈爾濱工程力學研究所生產的891-II型拾振器。

6)支座位移

支座位移采用的傳感器為WY-100電子位移傳感器，在全橋5個支座分別沿橫、縱橋向各安裝1個。

金水溝大橋主橋傳感器具體布置如圖2所示。

圖2 金水溝大橋主橋傳感器布置

4 健康監測系統總體構成

金水溝大橋健康監測系統包括傳感器系統、數據系統、健康診斷系統及狀態評估系統，具體如圖3所示。

4.1 傳感器系統

傳感器系統主要包括風速儀、溫度計、應變儀等多種傳感器及相應的信號放大與接口，其目的是完成對橋梁結構環境狀態、荷載信息以及結構各種靜動態響應信號的傳感與變換功能。

圖3 金水溝大橋健康監測系統

4.2 數據系統

數據系統包括數據采集、數據傳輸、視頻監控及數據管理四個子系統［6-7］。

1)數據采集

數據采集系統的功能是將經傳感器變換、調理器調理放大的信號進行收集、處理并傳送給計算機，以便作進一步的分析。

考慮到傳感器分布位置、信號放大及傳輸信號衰減等因素，在金水溝大橋的左右幅箱梁內共設置12個數據采集外站，所有的監測項目都進行連續數據采集、存取。為確保外站設備穩定持久地正常運行，為外站設計專門的機柜及其環境控制系統。同時，為了防止停電等故障對數據采集單元的影響，還需安裝 UPS電源。

2)數據傳輸

數據傳輸系統負責傳感器到外站以及各個外站和監控中心之間的連接。金水溝大橋數據傳輸系統由12個外站、監控中心3臺計算機、1臺計算機服務器，通過局部光纖或電纜網絡和整體光纖網絡組成。

3)視頻監控

視頻監控系統的主要目的是監測橋面交通情況，要求攝像頭布點合理、圖像清晰，監控范圍覆蓋整個橋面。

4)數據管理

數據管理系統的主要功能，是實現對橋梁結構工作狀態監測過程中所獲取數據的存儲和管理，通過該系統可進行數據的修改、刪除、查詢等操作。金水溝大橋數據管理系統用3臺計算機連接橋上12個外站，形成一個計算機網絡，安裝在大橋監控管理中心，并配置所需的數據顯示軟件。

4.3 健康診斷系統

健康診斷系統是橋梁健康監測綜合系統的關鍵部分，其目的就是利用監測所獲取的結構信息，對橋梁進行結構分析與損傷識別。結構損傷識別包括:損傷存在識別、位置識別和程度評估。金水溝大橋結構損傷識別采用自行開發的損傷識別程序進行，包括根據金水溝大橋特點所建立的新的損傷識別指標及損傷識別優化算法。

4.4 狀態評估系統

狀態評估系統是金水溝大橋健康監測系統的核心內容。根據健康診斷系統所提供的數據，該系統將進行橋梁承載能力、剩余壽命以及橋梁狀態三部分內容的分析，并給出評估結果，為橋梁的日常管理養護提供依據。

5 結語

大型橋梁結構的健康監測是一個非常復雜的系統問題，涉及土木工程、力學、測試技術、計算機、通信等多門學科。本文以金水溝大橋為背景，構造了一個科學合理的健康監測系統，并介紹了系統的監測內容、組成和功能。本文的研究對金水溝大橋健康監測系統建設有科學指導的作用，為今后同類型橋梁結構健康監測系統建設提供參考。

［1］繆長青，李愛群，韓曉林，等.潤揚大橋結構健康監測策略［J］.東南大學學報(自然科學版)，2005，35(5):780-785.

［2］宗周紅，孫建林，徐立群，等.下白石大橋健康監測系統的設計與研究［J］.鐵道學報，2008，30(5):65-71.

［3］繆長青，李愛群，馮兆祥，等.潤揚大橋結構健康監測系統設計研究［J］.世界橋梁，2006(3):63-66.

［4］楊雅勛.基于動力測試的橋梁結構損傷識別與綜合評估理論研究［D］.西安:長安大學，2008.

［5］吳小平.復雜橋梁結構綜合監測系統開發研究［D］.杭州:浙江大學，2005.

［6］王若林.橋梁實時在線檢測與健康監測若干問題研究［D］.武漢:武漢大學，2005.

［7］巴力，賀一新，鄧志飛.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋加固施工監控［J］.鐵道建筑，2009(1):89-92.