跨城市軌道交通的橋梁健康監測系統設計與應用

唐 英，胡安慶，張三峰

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731)

為適應城市交通發展的需要，許多大中型城市都修建了快速軌道交通，在增大了交通能力的同時也增加了既有城市橋梁與軌道的立交，形成了城市交通重要節點，該類橋梁的安全重要性也隨之提升。然而，由于橋梁使用年限和交通流量的增長，以及超載現象屢屢發生，給運營期間的橋梁造成許多安全隱患。為了保障此類安全性要求極高橋梁的安全，為橋梁的養護維修(加固)提供科學依據，構建橋梁健康監測技術與系統，是近年來國內外橋梁工程與管理領域的前沿課題和研究熱點。

本文結合成都市某鋼管混凝土拱橋，對跨軌道城市橋梁健康監測系統的設計進行研究，并對其養護模式進行探討。

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋位于成都市干道，跨越城市軌道交通，其結構形式為鋼管混凝土簡支拱梁組合體系，橋長133.7 m。橋梁主拱由1片中肋和2片邊肋組成，3片主拱肋由橫向聯系和K型支撐聯結成一個整體。拱軸線為懸鏈線，矢跨比為1/5，矢高6.4 m，拱肋為等截面，由2根 φ110 cm×12 mm的鋼管和1個50 cm×60 cm×20 mm的鋼腹箱組成啞鈴形，內壓注C50微膨脹混凝土。系桿為64根無黏結預應力鋼絞線，置于縱梁內，吊桿為3×21組無黏結鋼絞線，橫梁為C30預應力混凝土空心梁。

2 橋梁健康監測系統設計

2.1 監測項目及測點布置

橋梁健康監測系統的規模不應一味追求“高大全”，應在實現其功能的同時，盡可能地節約投資。為了達到最大“費用—效益比”，監測項目的確定應結合具體橋梁的特點、氣候和地理環境以及運營階段長期結構安全評估的要求，對結構進行有限元分析，確定橋梁在典型載荷下的關鍵構件部位、相對危險截面和危險點的位置，對關鍵部位進行重點監測。

本橋監測項目主要分為:環境監測、結構靜力響應及損傷監測和結構動力性能監測。具體內容及選用儀器介紹如下述。傳感器布置見圖1。

1)環境監測

在主拱肋和路面布設溫度傳感器測量季節及日照引起的溫度變化，采用光纖光柵溫度傳感器。

2)結構靜力響應及損傷監測

①拱肋:主要監測5個截面(拱腳、L/4、跨中、3L/4)，每個截面測點為3個，布置見圖2，采用光纖光柵應變傳感器。

②吊桿:吊桿處于高應力狀態，易于發生破壞，吊桿上布設光纖光柵索力計監測索力。

③橫梁:承受強大的吊桿拉力集中作用，同時作為抗彎構件，跨中截面的應力監測也對橋梁安全評估起著重要作用。選取橋梁的跨中、1/4跨和3/4跨處共3片橫梁進行監測，監測截面為橫向吊桿間跨中，采用光纖光柵應變傳感器，見圖2。

④橋梁線型:監測內容包括拱腳、L/4、跨中、3L/4處橋面的豎向位移、墩頂變位，采用水準儀、傾角儀觀測。

圖1 傳感器數量及布置

圖2 拱肋、橫梁應力監測測點布置

3)橋梁動力特性監測

通過對結構振動的監測，可以實時掌握系梁結構的動態特性參數，為大橋的健康監測與狀態評估提供依據。采用加速度計、位移計。

本橋跨越軌道交通，處于較強的電磁場環境中，為減少信號所受的干擾，防止信號出現衰減失真等情況，選用傳感器和傳輸設備的電磁敏感性必須為中性，信號傳輸盡可能選用光纖傳輸。

2.2 健康監測系統的構成

健康監測系統包括傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與控制子系統、損傷識別和性能評定子系統，實現監測、診斷和狀態評估功能。傳感器子系統包括溫度、應變、位移、振動等各類傳感器;數據采集與傳輸子系統包括信號調理儀、數據采集儀及通信網絡等;數據處理與控制子系統包括數據處理、采集控制、數據庫管理與查詢等;損傷識別和性能評定子系統包括損傷識別、健康狀態評估及管理決策建議等。

本健康監測系統，采用分布式的數據采集系統開發，構成如圖3所示。

采集系統中，既有數字信號的采集，也有模擬信號采集，因此采集系統也相應地分為兩種方式，即模擬信號采集和數字信號接收。軟件是數據采集系統的核心，LabVIEW是一種采用圖形化編程技術，與傳統編程語言有著相似數據流控制結構、層次化、模塊化等特點，且克服了傳統編程語言不夠靈活的缺點。因此，本系統數據采集系統軟件用LabVIEW開發，并運用基于DataSocket技術的網絡傳輸方式完成數據采集單元與監控中心之間的通信。系統具有良好的人機界面，能夠用圖形、報表等方式適時顯示橋梁重要參數的變化趨勢。在數據處理和上傳方面，采用在橋址附近控制室對采集到的數據進行分析處理，僅將異常狀態時刻的結構數據上傳存儲，對正常狀態的數據只按設定的采集時段進行狀態數據的上傳和存儲，從而避免了大量數據直接進入控制中心服務器，有效地避免數據泛濫，提高了系統效率和穩定性。

3 健康監測在橋梁日常管理養護中的應用

健康監測，目前尚不能完全解決所有結構損傷識別問題，與橋梁管理養護也未能實現無縫連接，因此，橋梁的安全評估、管理養護應輔以其它方式，如定期檢測、荷載試驗、日常巡查等。

本橋管理養護采用“實時監測+人工定期檢測”的模式。人工定期檢測難以實現“實時性”，自動監測數據的采集、分析可在短時間完成，并且隨時進行數據的采集、存儲及處理，實現了對橋梁安全狀態評估的“實時性”要求。監測數據如發現異常，將根據分析結果進行人工專項檢測予以驗證，定期檢測結果也將納入評估系統，兩種方法相互驗證、互為補充。該模式在橋梁日常管理養護過程優勢明顯，尤其在5.12汶川地震和4.20雅安地震等突發事件中，系統迅速對橋梁的健康狀況進行了評估，并根據監測結果，輔以針對性檢測、維護，既保障了交通暢通，又確保了橋梁安全。為了防止超載車輛通過，本系統擬在此基礎上增加超載控制系統，進一步實現控制超載車輛通行。

圖3 橋梁健康監測系統組成

4 結語

根據該跨線橋結構和環境特點，有針對性地構建了健康監測系統，系統具有良好的人機界面，能夠用圖形、報表等方式適時顯示橋梁重要參數的變化趨勢。在數據處理和上傳方面，采用就近對采集數據進行分析處理，僅將異常狀態和設定的采集時段狀態數據上傳和存儲，有效地避免數據泛濫，提高了系統效率和穩定性。在此基礎上系統將在超載控制方面進一步拓展，這在今后橋梁的評估、管理養護中，將有著廣闊的運用前景。

經實踐證明，通過建立健康監測系統輔以其它方式的管理養護模式，提高了橋梁的整體管理技術水平，有效地應對了突發事件，為該類橋梁管理養護提供了參考。

［1］劉文明，紀偉，李勇，等.基于通順路大橋的健康監測系統設計與研究［J］.中國西部科技，2010(10):18-20.

［2］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.

［3］崔飛，王清遠，陳宜言，等.改善橋梁結構損傷識別系統的分析與思考［J］.鐵道建筑，2010(9):41-42.

［4］楊松濤.分布式橋梁健康監測數據采集與傳輸系統及其關鍵技術研究［D］.成都:電子科技大學，2008.

［5］劉朝山.青島海灣大橋結構健康監測研究［D］.上海:上海交通大學，2010.

［6］孫學海.車輛超載的動態監測和治理［J］.城市道橋與防洪，2011(8):54-55.