軌道交通大型提籃拱橋健康監測與安全評估系統設計

趙寧寧 吳偉

摘 要：為解決軌道交通大型提籃拱橋在運營期各類荷載作用下橋梁結構的安全性問題，采用自動化傳感技術、數據分析處理技術、數據庫及Web等多種技術的集成、整合及應用，提出了橋梁監測系統測點布設、數據處理分析、橋梁預警評估等系統設計及功能要求。最終，基于系統設計并建立了軌道交通提籃拱橋健康監測與安全評估系統，實現了動態掌控橋梁在運營期間的實時安全狀態、橋梁承載力等運行狀態，可為橋梁的運營提供數據支撐，輔助管理者采取恰當的養護決策。

關鍵詞：提籃拱橋;健康監測;安全評估;Web;自動化傳感;數據庫

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

提籃拱橋作為全國首座軌道交通工程跨度最大的拱橋，在特有的軌道交通列車荷載作用下，其振動特性將更加明顯，因而提籃拱橋的健康監測系統需考慮其特有的軌道交通荷載以及身處的地理環境。為了保障橋梁的適用性、耐久性、完整性和安全性，需實時掌握橋梁的運營及健康狀況，項目主要建立橋梁健康監測系統，將常規的橋梁檢測數據、實時監測數據與特有的軌道交通系統進行整合，實現橋梁的綜合安全評估，保障提籃拱橋的運營安全。

提籃拱橋健康監測系統主要針對特有軌道交通環境下運營期間的結構安全狀況，提出了一套健康監測與安全評估系統，能夠實時監測和評估大橋的承載能力狀況、運營狀態和耐久能力等，預防意外發生。

1 工程概況

提籃拱橋樣本為寧波市軌道交通1號線控制性節點橋梁。提籃拱橋位于高橋西站-高橋站區間，其主跨為220 m，跨徑組合為（25 +220 +25）m，全長270 m。拱肋平面內矢跨比為1/5，吊桿間距為8 m，拱軸線矢高為44 m。

與尋常橋梁不同的是該橋是軌道交通通行橋梁，具有過車時間段固定、列車經過時間快等特點，因而遵循周期性疲勞規律等。基于軌道交通橋梁的特殊情況，采用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有測試精度高、重復性和耐久性好、耐腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強等特點，能夠實時反映列車荷載引起的變化，經分析后得到實測荷載效應規律，并結合有限元分析評價列車荷載對本橋安全、耐久性的影響。提籃拱橋橋型布置如圖1所示。

2 系統總體功能概述

本提籃拱橋健康監測系統綜合應用傳感器技術、通信技術、Web技術，將實時監測、數據分析、在線預警、智能評估等功能進行融合，以實現橋梁安全狀態的實時監測及有效管控。

結合系統預警數據要求實時傳輸等特點，建立一個基于分布式數據庫技術的橋梁健康監測及安全評估預警系統的主體框架，實現橋梁工程技術、橋梁健康監測技術、信息技術的結合與橋梁養護管理技術，通過對橋梁結構狀態的監測與評估，為提籃拱橋的維護管理決策者提供依據和指導。

結合本軌道交通提籃拱橋的結構特點及監測系統建立的總體思路，本系統分為四大模塊，具體功能劃分如圖2所示。

基于上述思路，在充分調研橋梁檢測評估報告基礎上，結合橋梁的維修加固情況，本系統基于底層多指標維度進行信息綜合，智能預測橋梁結構整體及局部構件的安全狀態，并輔助本提籃拱橋進行維修維護等決策的制定。

3 本橋監測項目及測點布置

根據本提籃拱橋特點，重點圍繞橋梁環境荷載、結構關鍵位置內力響應、變形位移等方面，針對應力、位移、撓度、加速度等參量進行測點布置設計。結合本提籃拱橋環境特點、結構受力特性、構造特點和監測重點，本項目監測內容包括以下幾項：

（1）橋墩傾斜監測（傾斜儀）;

（2）主梁端位移監測（位移計）;

（3）關鍵控制截面內力及溫度監測（光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計）;

（4）索力結構受力監測（索力傳感器）;

（5）關鍵控制截面變形監測（GPS）;

（6）主梁結構動力特性監測（加速度傳感器）;

（7）橋墩沉降監測（GPS）。

提籃拱橋監測布置點共95個，監測項目及監測點概況見表1所列。

4 數據處理與分析

數據處理與分析模塊是實現對橋梁監測信號進行有效辨識、轉化、應用的系統化過程。處理分析模塊需要能夠自動甄別數據的有效性，過濾異常干擾，確保數據可靠。

數據處理分析主要功能模塊如圖3所示。

數據處理和統計分析模塊可為進一步進行橋梁危險狀態識別與預警、橋梁健康與安全評估提供高效的數據支持與模型支持。

5 結構安全預警與綜合評估

5.1 模塊功能概述

對本提籃拱橋監測得到的各類信號值進行自動化處理及挖掘分析，對環境荷載作用下的本提籃拱橋的安全狀態進行異常判別、橋梁服役性能辨識、結構健康狀態評估。結構安全預警與評估子系統需要具備以下功能：

（1）結合結構設計資料、既往監測數據以及橋梁檢測數據通過模型修正建立本提籃拱橋運營期基準數據模型，并根據自動監測數據持續完善基準數據模型，用于橋梁工作狀態分析和安全狀態評定;

（2）在監控中心內實時顯示監測數據;

（3）提供豐富的3D圖形化顯示界面，人機交互界面友好，顯示效果簡明、直觀;

（4）對監測獲取的各類信號及指標進行時域內挖掘分析與趨勢預測;

（5）具備針對本提籃拱橋的安全預警功能，給出結構理論計算值或規范值，對運營期結構性能退化和結構安全性異常狀態及時進行識別，實現提籃拱橋安全性在線分析及實時預警;

（6）結合本提籃拱橋基礎信息、施工監控、荷載試驗等各類全生命期數據對本橋的運行狀態進行智能評估;

（7）充分利用監測數據對結構狀態進行評價、診斷、預測分析等，為橋梁運營階段的養護管理提供技術支持;

（8）在橋梁運營階段，每年提交一次監測綜合評估報告，尤其在臺風、地震等突發事件發生后，及時提交極端事件專題分析報告;

（9）評估結果面向多級結構管理人員，做到簡明、有效;

（10）可根據評估結果自動提供維護決策建議;

（11）具備系統運行狀態監控和報警功能，可在監控中心遠程監控傳感器系統的運行狀態，具有設備故障報警功能;

（12）具備遠程信息發布與共享功能，擁有遠程授權操控能力。

5.2 模塊劃分

根據該子系統的功能要求，將該子系統分為三個模塊，即數據處理分析模塊、橋梁安全預警模塊和橋梁安全評估模塊。總體模塊劃分如圖4所示。

5.3 用戶界面

根據健康監測系統的要求和方案構建用戶界面網站，如圖5所示。

通過用戶界面可以查詢傳感器的實時監測數據，并且可以對單獨的監測量數據進行描述性統計分析，如圖6所示。

6 結 語

本文針對提籃拱橋特有的軌道交通列車荷載作用結構的安全狀況提出了一套健康監測與安全評估系統，并且形成了一個健康監測網站，通過該健康監測系統可以查詢橋梁健康狀態以及對其采集的數據進行分析，基于此類情況監控本提籃拱橋運行狀態，一旦發現橋梁存在安全風險隱患便主動預警，保障運營安全。

參 考 文 獻

[1]李毅.基于城市橋梁集群監測平臺的系桿拱橋健康監測研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]單德山，李喬.鐵路提籃拱橋車橋耦合振動分析[J].西南交通大學學報，2005，40（1）：53-57.

[3]劉羽宇.跨座式單軌交通車輛與軌道梁的動力相互作用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[4]馬松華.列車荷載作用下中承式拱橋吊桿動力響應研究[D].成都：西南交通大學，2015.

[5]馮楚橋.鐵路下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋研究與應用[J].工程與建設，2007（4）：539-541.

[6]曾德榮，張慶明.提籃式拱橋拱肋內傾角對橫向穩定性的影響[J].重慶交通學院學報，2006，25（S1）：4-8.

[7] WANG P，CHEN R，WEI X K. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031. LONGITUDINAL INTERACTION ANALYSIS OF CONTINUOUS WELDED RAIL ON ARCH BRIDGE[A]. Beijing Jiaotong University，China，Beijing Key Laboratory of Track Engineering. New Technologies of Railway Engineering[C]// Beijing Jiaotong University，China，Beijing Key Laboratory of Track Engineering，2012：6.

[8] JIN X Y. Finite element simulation of railway through concrete-filled steel tube tied arch bridge based on static analysis[A]. Research Institute of Management Science and Industrial Engineering. Proceedings of 2017 5th International Civil Engineering，Architecture and Machinery Conference（ICEAMC 2017）[C]// Research Institute of Management Science and Industrial Engineering，2017：7.

[9]李宏男，天亮，伊延華，等.大跨斜拱橋結構健康監測系統的設計與開發[J].振動工程學報，2015，28（4）：574-584.

[10]唐英，胡安慶，張三峰.跨城市軌道交通的橋梁健康監測系統設計與應用[J].鐵道建筑，2014（1）：1-3.