某特大橋健康監測系統設計與評估

陳　泉，陶　華，王　超

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢　430023；2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢　430023；3.湖北工業大學，湖北 武漢　430068）

某特大橋健康監測系統設計與評估

陳泉1，陶華2，王超3

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023；2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023；3.湖北工業大學，湖北 武漢430068）

研究介紹了特大橋健康監測系統設計研究成果，該系統由六個子系統組成：自動化數據采集與監測系統、電子化人工巡檢養護管理子系統、數據存儲與管理子系統、綜合預警與結構安全評估子系統、用戶界面子系統和視頻監控工程。通過對監測系統采集的各類數據，如環境溫濕度、結構溫度、車輛荷載、支座位移、主梁線形等進行分析，結果表明，該系統運行良好，取得了預期的效果。最后探討了健康監測技術需要深入探索研究的課題。

健康監測；系統設計；特大橋

0　引言

隨著現代橋梁設計、施工、材料技術的發展，橋梁結構跨徑越來越大，越來越輕柔，同時橋梁所受荷載也越來越大，因此，橋梁的安全性、耐久性和適用性也日漸受到人們的關注和重視。為了及時準確掌握大型橋梁的工作性能，確保橋梁的安全運營，橋梁健康監測技術已成為目前國內外學術界、工程界的研究熱點，國內外學者也開展了大量的相關研究［1-5］。

然而，由于監測技術和費用的限制，不可能監測結構所有部位所有參數，另外噪音也會影響監測結果，因此，如何設計合理的監測系統，利用有限的測點信息對結構性能進行評估需要深入研究。

本文結合某特大橋結構特點，研究介紹了某特大橋健康監測系統的設計成果，包括系統組成及整體架構、測點的布設等。隨后通過對監測系統采集的部分數據進行分析評估。最后探討了健康監測技術需要深入探索研究的課題。

1　監測系統設計

1.1工程概況

某特大橋是高速和城市環路共用橋梁，是一座“雙層剛性懸索加勁連續鋼桁梁”，跨徑布置為112 m+208 m+112 m。大橋上層為高速公路，雙向6車道高速公路；下層為城市環路，雙向8車道城市快速路；大橋已建成通車，見圖1。

圖1　某特大橋實景圖

1.2系統總體設計

某特大橋作為城市主要的過江通道，雙層結構十幾個車道，交通荷載極大，同時結構位于江面之上，鋼主梁、吊桿、主纜等重要受力構件均為鋼材，易受環境腐蝕。針對大橋本身結構特點，同時結合類似橋型的危險性分析，大橋安全預警和管養決策方面的需求，研究設計整個系統由自動化數據采集與監測子系統、電子化人工巡檢養護管理子系統、數據存儲與管理子系統、綜合預警與結構安全評估子系統、用戶界面子系統和視頻監控工程六大子系統構成，其總體架構見圖2。

自動化數據采集與監測子系統完成傳感器數據的采集、信號調理以及數據傳輸；數據存儲與管理系統完成監測數據的校驗、結構化存儲、管理、可視化以及對監測采樣的控制等工作；電子化人工巡檢系統實現對人工巡檢信息的數字化錄入、查詢、評估與管理。滿足大橋不同時期、不同構件、不同程度的維修和養護需求；綜合預警與結構安全子系統根據監測數據進行結構狀態與損傷識別，并綜合識別的結果以及巡檢結果對橋梁結構的安全使用狀況進行預警評估；用戶界面系統實現將各種數據實時按需求向用戶展示，并且接受用戶對系統的控制與輸入；視頻監控系統對橋梁交通狀況、突發事故和其他一切異常情況進行安防監控，確保實時掌握橋區范圍內直觀的交通狀況，為管養單位提供全面直觀的橋梁運營狀況監控手段，為橋梁運營和管養提供視頻記錄資料。

圖2　系統總體構架

1.3系統測點布設

根據該橋的受力特點、既有病害和危險性分析，主要監測內容包括環境監測、荷載監測、結構響應監測和視頻監控幾大類。環境包括風速風向、溫濕度、降雨量；荷載包括車輛荷載、地震及船撞；結構響應包括結構溫度、應變、主梁撓度、支座位移以及結構動力響應。各類傳感器總共布設了338個，1/2總體測點布置示意見圖3。

圖3　某特大橋健康監測系統測點布置示意圖

2　監測數據分析

2.1溫濕度監測

環境溫濕度一方面是影響結構的腐蝕、老化的重要因素，另一方面會影響監測系統傳感器的工作性能。對系統采集的某天數據進行分析，結果見圖4。

圖4　跨中下層橋面測點溫濕度曲線

從結果可見，全天結構下層濕度范圍為51.5%～74%，對應溫度為12.6℃～16.4℃，溫濕度日變化趨勢相反，溫度升高，濕度下降，溫度下降，濕度上升。結構平均濕度為61.9%，因此橋位處環境濕度較大，應加強關注結構的防腐和傳感器的維護。

2.2溫度監測

環境溫度通過熱傳導作用于橋梁結構，在結構內部形成溫度場，會導致結構溫度次內力的產生，同時材料隨溫度的脹縮也會導致結構整體形變。采集的某天結構溫度實測數據，對各構件溫度測點數據進行統計分析，結構各構件24 h溫度變化曲線見圖5，各構件溫差曲線見圖6。

圖5　全天溫度曲線圖

圖6　各構件溫差曲線圖

由圖可見，各構件溫度在早上7點～9點左右達到最低，在下午2～3點達到最高，全天上下橋面溫差相差最大，溫差范圍為-1.2℃～3.4℃，上層溫度較高，主要上層橋面直接受陽光照射，下層橋面日照被擋。其他各構件溫差較小，在-1.5℃～1℃之間變化。

2.3WIM監測

交通流量監測系統用以監測某特大橋交通流量、行車車速、軸重等情況及其變化，為建立大橋交通荷載模型、進行結構評估提供依據，同時可對超載超限特殊車輛作用進行監控統計。對監測系統采集的某天車輛荷載數據進行分析，圖7顯示了下層橋面各車道車輛數分布和24 h車輛數分布。圖8顯示了下層橋面各車道平均車重分布和24 h平均車重分布情況。

圖7　各車道車輛數分布圖和24小時車輛數分布圖

圖8　各車道平均車重分布圖和24小時平均車重分布

全天下層橋面有51 800輛車通過某特大橋，兩個最外側車道車輛數較少，2、3、6、7車道通過車輛數較多。通行車輛最多時段為上午15:00～16:00左右，通行車輛最少時段為2:00～3:00。車道2、7車重較大。表明重車基本通行于道路兩旁行車道，中間車道主要通行小型汽車。全天通行重車最多的時段為5:00～6:00。

2.4支座位移監測

支座是橋梁結構的力學邊界，其工作正常與否直接關系到大橋結構安全，而支座位移情況是支座是否正常工作的重要體現。圖9顯示了監測系統采集的某天南邊墩支座位移實測結果。

圖9　南邊墩支座全天位移曲線

南邊墩支座全天位移曲線通暢，實測最大值為5.2 m m，未出現異常值，表明支座運行正常。支座實測值可分為溫度項和活載項兩種效應，溫度效應為長期效應，與鋼主梁溫度線性相關，活載項為短期效應，受車載影響，將實測支座位移分解為活載效應和溫度效應兩部分，對溫度效應引起的支座位移與鋼主梁溫度進行統計回歸分析，結果見圖10。

圖10　南邊墩中間支座位移與溫度回歸曲線

南邊墩中間支座位移與主梁溫度相關系數為0.8，相關性程度較高。實測值與擬合值較好，表明支座處摩擦力較小，支座工作性能良好。鋼主梁溫度每升高1℃，南邊墩中間支座位移增大1.6 m m。

2.5主梁線形監測

主梁撓度線形是大跨度橋梁結構力學行為特征的最直觀體現之一，同時也是影響橋梁正常使用的重要指標。取采集的某天主梁撓度數據進行分析，主梁全天線形及最高最低線形偏差曲線見圖11（豎向虛線表示主跨橋墩及跨中位置）。

圖11　主梁全天線形及偏差曲線

由圖11可知，主梁全天線形曲線較平滑，最高線形與最低線形在主跨和邊跨跨中偏差最大，主跨跨中為0.025 m，南側邊跨跨中為0.025 m，北側邊跨跨中為0.017 m。

3　結語

結合某特大橋的結構特點和監測管養需求，研究建立了某特大橋健康監測系統，對系統采集的部分監測數據分析表明，監測系統運行良好，在一定程度上實現了對大橋安全運營的監控。當然，關于橋梁健康監測還有許多問題需要進行深入探索研究，特別是監測系統自身的耐久性、結構性能安全評估、損傷預警、以及如何對海量數據進行有效分析，為橋梁的管養提供技術支撐等方面的研究。

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U446

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1009-7716（2016）09-0147-04

2016-05-20

陳泉（1976-），男，湖北黃岡人，高級工程師，從事橋梁設計工作。