橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)在萬州大橋的應(yīng)用

鄔富文

摘 要：城市橋梁與人們的生命與財產(chǎn)安全息息相關(guān)，必須對橋梁的運行狀況進行監(jiān)測，文章將通過對橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)在萬州大橋的實際應(yīng)用，進一步闡述對橋梁結(jié)構(gòu)進行自動化監(jiān)測的重要性，以供參考。

關(guān)鍵詞：城市橋梁；變形；健康監(jiān)測系統(tǒng)；運營；安全

中圖分類號：U441 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0129-02

Abstract： The municipal bridge is closely related to people's life and property safety. So it is necessary to monitor the operation of the bridge. This paper will use the automatic monitoring system of bridge health in Wanzhou Bridge. The importance of automatic monitoring of bridge structure is further expounded for reference.

Keywords： municipal bridge； deformation； health monitoring system； operation； safety

1 概述

面對日益多樣增加的運輸任務(wù)和復(fù)雜多變自然環(huán)境，橋梁及其構(gòu)造物損毀和局部損傷頻發(fā)。因此，城市橋梁管養(yǎng)單位有必要采用安裝橋梁健康自動化監(jiān)測系統(tǒng)的方法，對橋梁的運行狀況進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)橋梁病害并采取補救措施，保證橋梁安全運營，促進城市橋梁管養(yǎng)水平的提高。

2 橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)

橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)，是一個以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，結(jié)合實時監(jiān)測與人工定期檢測的優(yōu)勢，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實現(xiàn)對橋梁在未來運營過程中健康狀況的實時動態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)，并能及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警橋梁潛在的危險，為橋梁的安全運營、管理和養(yǎng)護維修提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。對于不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁和用戶的具體需求，可依據(jù)實際情況制定適宜的監(jiān)測方案。

橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能有：（1）具備橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲、處理分析及綜合預(yù)警等功能，全天候?qū)崟r監(jiān)控。（2）具備基礎(chǔ)資料管理、監(jiān)測內(nèi)容實時顯示、圖形報表、數(shù)據(jù)備份、掉電保護、自診斷及故障顯示功能。（3）惡劣天氣下連續(xù)監(jiān)控，在暴雨、冰雹、洪澇等惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)可連續(xù)工作，實時傳輸數(shù)據(jù)，做到惡劣環(huán)境下橋梁的有效監(jiān)控。（4）通過橋梁運行期的定量安全評價和監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析，可實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性趨勢分析。（5）分級、多重預(yù)警。當(dāng)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常信息時，系統(tǒng)自動進行預(yù)警；報警信息通過短信模塊、現(xiàn)場報警、網(wǎng)絡(luò)等多種方式將信息及時傳達給相關(guān)權(quán)限管理人員，提示后臺人員及時對橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)進行安全評估。（6）應(yīng)急預(yù)案處理建議。系統(tǒng)可以在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)險情后給出應(yīng)急預(yù)案建議，通過專家?guī)煜到y(tǒng)，及時采取人員介入、封路分流、維修加固等應(yīng)急處理方案，降低事故發(fā)生的可能性。

重慶市萬州區(qū)萬州大橋采用了招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司自主研發(fā)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體架構(gòu)以云計算為基礎(chǔ)，無需用戶構(gòu)建監(jiān)控中心，無需購買物理服務(wù)器，成本較低，且具有非常高的靈活性、穩(wěn)定性和可維護性。

3 監(jiān)測系統(tǒng)在萬州大橋的應(yīng)用

3.1 萬州大橋的現(xiàn)狀

重慶市萬州區(qū)萬州大橋是連接萬州磨刀梁與螞蝗坪的城市橋梁，跨越苧溪河，建成于2001年4月28日，建成后中央高程為220m，橋面全寬為凈15m（行車道）+2×2.5m（人行道）。主孔為3孔120m帶兩邊跨75.40m的鋼管混凝土組合桁架連續(xù)剛構(gòu)，引孔為25m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面連續(xù)。孔跨布置從磨刀梁岸到螞蝗坪岸為4×25m簡支空心板+75.4+3×120+75.4m連續(xù)剛構(gòu)+3×25m簡支空心板，全橋長709.8m。設(shè)計荷載等級：汽-超20，掛車-120級，人群荷載3.5kN/m2。

萬州大橋定期結(jié)構(gòu)檢測報告表明，4#、9#端橫梁混凝土上存在多條豎向、橫向和斜向裂縫，最大裂縫寬度達0.9mm，并存在支座上鋼板滑移、傾斜等多種病害。另外，橋梁管養(yǎng)單位在日常巡查時發(fā)現(xiàn)在車輛荷載作用下，萬州大橋主梁左右撓度變化不一致。因此，有必要對萬州大橋采用橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，保證橋梁運行安全，并為今后同類橋梁的設(shè)計、管養(yǎng)提供參考數(shù)據(jù)。

3.2 萬州大橋結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測測點布設(shè)

萬州大橋主跨為鋼管混凝土組合桁架連續(xù)剛構(gòu)，由桁架桿件組成，盡管整體上看鋼桁架橋以受彎和受剪為主，但具體到每根桁架桿件則主要承受軸向力。與實腹梁相比，用稀疏的腹桿代替整體的腹板，從而節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重，又由于腹桿鋼材用量比實腹梁的腹板有所減少，鋼桁梁可做成較大高度，具有較大的剛度及更大的跨越能力。此類橋梁的常見結(jié)構(gòu)病害為桁架桿件損壞，尤其是隨著交通量的增大，桿件損傷將進一步加劇。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計單位采用三維有限元分析軟件Midas Civil 2015建立整體空間有限元模型，共有節(jié)點1780個，單元4784個，通過模擬計算得出結(jié)論：在溫度荷載+活載作用下，第5跨跨中豎向位移值達85.2mm；若橋梁結(jié)構(gòu)存在失效支座，在車輛荷載作用下，結(jié)構(gòu)兩側(cè)撓度會明顯不一致，而且支座失效對相鄰橋跨撓度影響較大，隨著距離增大，支座失效對主梁撓度的影響逐漸減弱，且支座失效對跨中兩側(cè)撓度不一致的影響遠大于單根桿件失效對跨中撓度的影響。

結(jié)合萬州大橋的當(dāng)前病害情況，自動監(jiān)測內(nèi)容和位置選取見圖1。

另外，在萬州大橋磨刀梁側(cè)橋頭安裝的超載監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和4#9#端橫梁上安裝的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)一并納入該系統(tǒng)，共同組成萬州大橋橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)。endprint

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)用戶界面

用戶界面子系統(tǒng)是運營橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)的終端窗口，是橋梁管理和維護人員了解、查詢橋梁結(jié)構(gòu)各種監(jiān)測信息的交互式平臺。完整的運營監(jiān)測系統(tǒng)不但需要面對專業(yè)技術(shù)人員和管理人員，也必須面對其他用戶，例如政府職能管理部門等，用戶界面系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮用戶的各種需求。在監(jiān)控中心，專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)能很方便的對大橋各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和評估結(jié)果進行詳細查看和處理；此外，一般橋梁管理人員、業(yè)主、專家和政府監(jiān)管部門等其他人員在不同時間、地點都能查閱到橋梁的相關(guān)監(jiān)測信息。

針對不同的用戶使用要求，結(jié)合最新的云平臺技術(shù)，萬州大橋用戶界面系統(tǒng)綜合B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)優(yōu)勢，采用位于監(jiān)控中心的服務(wù)器和遠程終端完成各種功能。用戶界面子系統(tǒng)由兩個獨立木塊組成，即Web門戶網(wǎng)站子系統(tǒng)和離線監(jiān)測軟件子系統(tǒng)。

Web門戶網(wǎng)站采用B/S架構(gòu)，結(jié)合GIS技術(shù)設(shè)計，主要展示用戶管轄橋梁的詳細信息、測點布設(shè)情況、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、最近一段時間的歷史數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。

離線監(jiān)測軟件子系統(tǒng)相較于Web門戶網(wǎng)站，該平臺提供了更強大的數(shù)據(jù)展示能力，主要包含以下功能：查看橋梁的先關(guān)信息及傳感器數(shù)據(jù)，并結(jié)合橋梁三維模型實時顯示最新采集到的測點數(shù)據(jù)，對異常數(shù)據(jù)進行報警；提供傳感器歷史數(shù)據(jù)的查看，以波動曲線的方式呈現(xiàn)給用戶；查看橋梁的定期、日常檢查報告；根據(jù)檢測報告和監(jiān)測數(shù)據(jù)為用戶生成安全評估結(jié)果。其中各類數(shù)據(jù)分析和安全評估功能，是通過調(diào)用相應(yīng)的后臺程序完成，這里僅提供交互、發(fā)布和顯示功能。

橋梁管養(yǎng)人員通過用戶界面，可以隨時隨地查詢監(jiān)測部位的裂縫寬度、撓度、應(yīng)變隨溫度、時間變化曲線，及時了解橋梁的當(dāng)前狀態(tài)，并在監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時得到系統(tǒng)的預(yù)警通知。

3.4 小結(jié)

通過在萬州大橋安裝橋梁健康自動檢測系統(tǒng)，結(jié)合日常巡查情況，橋梁管養(yǎng)人員可以直觀、實時了解橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變、裂縫發(fā)育、超載車輛的情況，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的變化、維護保養(yǎng)的記錄、已建成數(shù)據(jù)等多種大數(shù)據(jù)，進行綜合數(shù)據(jù)的挖掘、分析，可以準(zhǔn)確把握橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運行狀態(tài)，確保橋梁運營安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，在城市橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用橋梁健康自動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地對城市橋梁狀況進行監(jiān)測，為橋梁的管理與養(yǎng)護提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，促進橋梁工程整體管理水平的提高，減少因橋梁自身結(jié)構(gòu)問題引發(fā)的安全事故，使得城市橋梁更好地服務(wù)于人民。

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