鋼桁架斜拉橋結構健康監測系統設計及應用研究

柳州歐維姆結構檢測技術有限公司，廣西 柳州 545005

0 引言

公路橋梁在長期環境侵蝕、材料徐變、荷載效應等因素的作用下，不可避免地導致結構的各種損傷及抗力減弱，影響結構的正常使用，直接影響橋梁運營安全［1］［2］，如何保證橋梁運營安全成為了現階段我國關注的一個焦點。

為實現橋梁運營安全性能的有效監控，組建一套完整實時監測和智能化管理的橋梁結構健康監測系統很有必要［3］。然而，根據鋼桁架斜拉橋結構特殊性，目前國內針對有關此類橋型結構健康監測系統研究較少［4］。因此，本文以寶雞市陸港大橋為背景，對其主橋結構建模受力分析，確定測點的布設位置，完成系統總體架構、布點及各監測子系統設計研究工作［5］。通過完成陸港大橋結構健康監測系統的設計研究與實施，為同類型橋梁結構健康監測系統的設計及應用提供參考。

1 工程概況

寶雞陸港大橋位于陽平火車站以西2.0km，該工程北起陳倉科技路，跨連霍高速、渭河，南接西寶南線。大橋主橋為鋼桁架雙塔雙索面斜拉橋，長412m，跨徑組合為102m+208m+102m。

2 結構健康監測系統設計

2.1 橋梁建模計算分析

利用空間有限元分析程序MIDAS/CIVIL2015 進行計算。拉索采用桁架單元模擬，其它均采用梁單元模擬，各構件之間采用剛性連接連接。對于內力計算，各截面加勁肋，僅考慮其自重，不考慮其參與受力。陸港大橋主橋計算空間模型如下圖1。

圖1 主橋計算空間模型

對于結構的計算以監控參數為目標，主要以結構的剛度、位移、應力進行分析，得到監控的主橋關鍵截面和桿件，以達到最有效的監控測點的布置要求。

（1）通過全橋的梁單元應力比較分析，在基本組合荷載工況下，鋼桁架塔柱與梁交接處及1/2 位置處腹桿存在較大壓應力，宜設置應力測點。對于梁體而言，主跨跨中、邊跨跨中及與塔柱交接處為監測關鍵區域；

（2）通過結構位移比較分析，主跨及邊跨跨中為位移量最大，宜設置位移測點；

（3）通過拉索索力比較分析，得到邊跨及主跨跨中索力最大，監控索力以索力較大的索為主。

2.2 監測系統總體設計

該系統設計采用集群健康監測系統架構，各傳感器數據采集子系統通過無線方式集成至數據采集站內監控計算機進行數據匯總監測，同時通過有線網絡遠傳至數據監控中心供遠端用戶在線掌控大橋健康狀況。監測系統框架如下圖2。

圖2 大橋結構健康監測系統組建框架

結合陸港大橋斜拉橋的結構特點和結構計算的結果，并參照相關規范的規定，確定陸港大橋結構健康監測系統主要包括結構變形監測、結構應力監測、結構動態監測、橋面動態交通監測，共計4 類監測內容，詳細監測內容如下：

（1）結構變形監測：塔柱空間變形及傾斜、主梁撓度、支座及伸縮縫位移。

（2）結構應力監測：主塔及主梁關鍵截面應力及變化、拉索索力及變化。

（3）結構動態監測：主塔、主梁振動。

（4）橋面動態交通監測：橋面視頻監測。

2.3 監測系統子系統設計

2.3.1 監測傳感器子系統

傳感器子系統是由對環境參數、應力應變、結構動力特性等參數進行監測的傳感器組成的模塊。結合陸港大橋建模計算分析結果及傳感器經濟適用的布置原則，該橋結構健康監測系統共布設磁通量傳感器、GPS、振弦應變計等八類傳感器，共計布置128 個傳感器，傳感器布置信息見下表1。

2.3.2 監測數據采集與傳輸子系統

數據采集系統主要從系統總體構架、軟件、硬件、數據采集策略等幾方面進行設計工作。全橋共設2 個數據采集主站，每個數據采集主站實現對各傳感器數據的采集，數據通過有線或無線兩種方式與遠端監控中心交互通信，組建為在線實時橋梁健康監測系統。

2.3.3 監測數據處理與控制子系統

數據處理與控制子系統主要從監測數據的校驗、分析、存儲、管理等幾方面進行設計工作，該子系統在整個系統中起到重要過渡作用。

2.3.4 監測數據分析與結構安全預警及評估子系統

監測數據分析子系統包括：應力應變、變形、動態監測、視頻監控、拉索索力等分析系統。

結構安全預警子系統包含：橋梁結構強度安全評定分析、橋梁整體極限承載力分析、橋梁可靠度分析，根據分級預警機制實現多級預警。

結構安全狀況評估系統是整個系統的中心部位，評估系統應密切結合大橋的管養要求，做到“預測性維護、評估式維護”，并出具評估報告。

表1 傳感器布置信息一覽表

2.3.5 中心數據庫子系統

由于整個系統數據量龐大，數據信息種類多及多系統共享，支持分布式處理和訪問的同時還要支持多并發用戶的操作，且數據安全性尤為重要。中心數據庫子系統統一管理和組織數據信息，方便系統后期智能化管養，同時提供可靠的分布式數據交換與存儲平臺給各應用子系統，方便開發與使用。

2.3.6 用戶界面子系統

用戶界面子系統是整個監測系統最終面向用戶的產品，是各子系統的集成界面，主要結合各子系統的功能，提供統一的操作界面和采用易懂的圖表形式展示各種分析數據信息給用戶，實現分布式、遠程訪問的方式與功能。

3 工程實施

此次橋梁結構健康監測設計已應用于寶雞陸港大橋的建設，至今已完成該橋結構健康監測系統組建工作，初步形成一套實時監測和智能化管理的橋梁結構健康監測系統，施工步驟如下：

施工前各項準備工作→傳感器安裝→線纜線管安裝固定→系統信號線及電源線纜敷設安裝與防護→數據采集站安裝固定→傳感器子系統分項目連接測試→數據通信接口安裝→子系統總體連接調試→監控中心設備與通信安裝→軟件系統集成及總體調試→試運行→項目竣工驗收。

4 結語

（1）通過對陸港大橋主橋結構進行有限元建模受力分析，確定最有效的監測傳感器測點布置，利于下一步開展主橋結構健康監測系統的各類設計研究。

（2）該套橋梁結構監測系統設計合理，利用現代傳感測試、信號分析、遠程智能控制、計算機、結構計算分析等當代新設備和新技術，組建了一套技術先進、措施合理、實用經濟、易于管理、開放兼容、符合橋梁運營環境和結構特殊性的橋梁結構健康監測系統。

（3）該套橋梁結構健康監測系統為陸港大橋運營期提供科學有序的養護運營管理平臺，減少大橋非重點結構人工檢測次數，在意外發生階段和事后分析評估大橋結構安全性，協助及改善大橋檢測方法，為大橋的維護決策提供依據，具有良好的社會及經濟效益。