西北地區(qū)某非對(duì)稱(chēng)斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李萬(wàn)會(huì)

甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司，甘肅蘭州 730000

1 工程概況

西北地區(qū)某非對(duì)稱(chēng)斜拉橋橋梁總長(zhǎng)240m，寬40m。是一座獨(dú)塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為155m+45m+40m。其中，輔跨45+40m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主跨長(zhǎng)155m，為鋼箱梁，梁高均為3m；采用雙索面，扇形布置，每側(cè)索面共有12對(duì)，全橋共48根斜拉索。斜拉索順橋向間距為10m （鋼梁側(cè)） 和5m （混凝土梁側(cè)） 。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)組建一個(gè)實(shí)用、可行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上建立一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、處理分析、狀態(tài)評(píng)估以及預(yù)報(bào)警等功能于一體的綜合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1） 通過(guò)車(chē)輛監(jiān)測(cè)監(jiān)控，掌握運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋面車(chē)流量、車(chē)速等交通荷載信息；

（2） 通過(guò)橋梁靜力響應(yīng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，掌握大橋?qū)嶋H力學(xué)行為特征和使用狀況，并為分析其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支持；

（3） 通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，掌握結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期振動(dòng)水平以及結(jié)構(gòu)整體剛度，為判斷結(jié)構(gòu)正常使用狀況和整體力學(xué)狀況提供依據(jù)；

（4） 通過(guò)幾何和力學(xué)參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，記錄大橋可能經(jīng)歷的重大荷載及事故歷程，并判斷大橋是否因此出現(xiàn)損傷或運(yùn)營(yíng)狀況異常；

（5） 建立科學(xué)有效的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警及安全評(píng)估機(jī)制和軟件系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)對(duì)異常結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)施預(yù)警報(bào)警，為橋梁管養(yǎng)決策提供技術(shù)支撐。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容及傳感器布設(shè)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容

西北地區(qū)某非對(duì)稱(chēng)斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容主要是根據(jù)大橋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮大橋所處的環(huán)境和當(dāng)前的結(jié)構(gòu)狀況來(lái)設(shè)計(jì)，具體如下：

（1） 環(huán)境荷載監(jiān)測(cè)：風(fēng)荷載和環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)；

（2） 橋梁溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)：主梁和主塔的控制截面結(jié)構(gòu)溫度分布；

（3） 交通荷載監(jiān)測(cè)：橋梁的車(chē)輛荷載及交通狀況監(jiān)測(cè)；

（4） 橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)：主梁及主塔控制截面的應(yīng)力；

（5） 橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)主梁和主塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其動(dòng)力特性；

（6） 空間位移監(jiān)測(cè)：主梁豎向和橫向位移、主梁的扭轉(zhuǎn)位移，主塔塔頂偏位；

（7） 索力監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)拉索的索力及其變化。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為分布式監(jiān)控系統(tǒng)，所有系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。監(jiān)控系統(tǒng)中各種傳感器的采集數(shù)據(jù)都將作為后續(xù)結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，因此雖然各系統(tǒng)從功能和結(jié)構(gòu)上而言是分布建立的，但其整個(gè)系統(tǒng)的所有軟件必須作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行設(shè)計(jì)、匹配和調(diào)試。整體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)圖

4 傳感器的布設(shè)

根據(jù)該橋內(nèi)力包絡(luò)圖并結(jié)合規(guī)范要求以及橋梁的實(shí)際情況，傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

圖3 主橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)示意圖

表1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)備

5 結(jié)語(yǔ)

大跨橋梁健康監(jiān)測(cè)對(duì)于我國(guó)西北地區(qū)來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域；同時(shí)，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即囊括了橋梁結(jié)構(gòu)分析、傳感器技術(shù)，也涉及到網(wǎng)絡(luò)工程、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、信息技術(shù)等多方面的理論技術(shù)。健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中所得到的數(shù)據(jù)對(duì)于橋梁的運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)工作具有指導(dǎo)作用，它能夠顯示橋梁結(jié)構(gòu)病害所在的位置，對(duì)橋梁超重、梁體傾斜、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、撓度等重大事件進(jìn)行預(yù)警，尤其能對(duì)一些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法無(wú)法到達(dá)的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。該橋作為西北地區(qū)的一個(gè)標(biāo)志性建筑，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)力求做到綜合考慮各方面的影響因素，為管理者提供更準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)指標(biāo)以維護(hù)大橋的正常運(yùn)營(yíng)。