獨塔雙索面斜拉橋健康監測方案設計

于明策，韓冰玉，鄧小軍

(山東交通職業學院，山東 濰坊 261206)

由于交通量和行車速度飛速提升，大型橋梁在營運初期的健康監測成為不可或缺的關鍵環節之一，它不僅可以實時監測大橋的物理與力學狀態，還能對橋梁所處環境和結構構件耐久性進行監測，因而橋梁健康監測系統對于確保橋梁結構的安全運營與管理維護具有重要意義。

在實際工程中，由于健康監測往往涉及到施工過程中的預埋元件，施工監控方案不同會導致預埋元件的位置、規格和數量不同，因此，在施工監控過程中往往就要考慮健康監測系統的初步設計，筆者以某跨北疆鐵路斜拉橋為例，以施工監控階段為基礎進行健康監測的設計與分析。

1 項目概況

某跨北疆鐵路斜拉橋主橋為獨塔雙索面形式，主橋跨徑為89.92+89.92 m，全長179.84 m。主橋平面位于直線上，立面位于0.42%的上坡上。結構形式采用塔梁墩固接的剛構體系，橋寬20 m，主梁采用肋板式斷面，塔柱采用空心矩形截面，斜拉索采用扇形布置，共40根。橋面以上塔高41.709 m，為A型橋塔。

2 健康監測系統組成

2.1 監測等級

根據橋梁結構的規模和重要性等情況，本橋為大跨度重要橋梁，其健康監測系統等級為一級，需滿足以下要求：其一，監測內容應該全面；其二，檢測系統無論硬件還是軟件均需達到先進水平；其三，監測系統的實時性、集成化、自動化和網絡化程度都要高。

2.2 監測組成

本橋健康監測系統主要由四個子系統所組成：傳感器與數據采集系統、仿真分析系統、數據管理系統和綜合評估決策系統，其工作流程如圖1所示。

圖1 橋梁健康監側評估系統

3 健康監測系統設計

通過近十年來我國斜拉橋先進的養管檢測技術成果及經驗，針對本橋結構工程特點，綜合考慮后認為，利用施工監控過程中所埋設的原件及檢測設備對該橋進行健康監測，做到既經濟可靠又簡單可行，并能夠滿足健康監測的要求和精度。

3.1 斜拉索索力監測

本橋擬采用多通道頻譜動測法與壓力環(穿心式傳感器)實時測定相結合的方法進行索力的監測。在施工監控過程中，已在西南3#、東南4#以及西北5#和6#四根不同長度的斜拉索下預埋四個壓力環，如圖2所示，以便于將兩中測試方法的結果加以對比，為全橋范圍的索力動測提供修正和技術支持，同時也可索力的長期健康監測積累原始數據和經驗。對于其他未安裝壓力環的拉索，則可通過人工定期測試進行對比分析。

圖2 斜拉索索力測點布置示意

3.2 主梁、塔柱應力監測

應力監測可以測得結構在活載、溫度等作用下的結構應力和內力狀態，為結構損傷識別和疲勞損傷壽命評估以及結構狀態評估提供依據。同時還可通過應力、應變狀態的變化，判斷結構是否有損壞或存在潛在損壞的狀態。

(1)主梁應力測點布設

健康監測中的應力傳感器使用施工監控過程中已布設的傳感器，直接納入健康監測實時監測系統。

(2)主塔應力測點布置

主塔應力測試充分利用施工監控已經布置傳感器的斷面，即在上塔柱距離橋面約兩米的位置，應力測試斷面布置12個應力測點，并納入健康監測實時監測系統。

3.3 結構溫度分布狀態監測

溫度變化，特別是日照溫差的變化，對于矮塔斜拉橋結構內力和變形影響是復雜的。通過對橋梁溫度場分布狀況的監測，可為橋梁設計中溫度影響的計算分析提供原始數據。主梁和塔柱的溫度測試斷面一般與應力測量斷面相同，且部分測點位置溫度傳感器可與應變傳感器共用。其分布與3.2相同。

3.4 塔柱變形監測

塔柱變形監測主要為橫橋向、縱橋向和沉降。本橋在上塔柱頂布置一個棱鏡測點，通過建立三角控制網，采用全站儀定期觀測橋塔變位。

3.5 主梁撓度監測

撓度是反映橋梁的一維垂向變形，該橋主梁撓度監測采用定期檢測的方式，通過應用水準儀對橋梁建立的永久測點進行定期檢測、記錄、對比與分析，來評價結構的安全性。

永久測點沿橫橋向共布置三道測線，分別位于兩側護欄內側及橋面中心位置。縱橋向設置于左右跨跨中、四分點及支點，共計27個主梁永久變形測點，采用植入鋼錨釘的方法布設。

4 具體線路布設及通道分布說明

4.1 系統構成

為了有效利用施工監控階段布置的傳感器，實時動態掌握橋梁變形和受力狀況，采用自動無線數據采集系統，可實現控制斷面傳感器的實時數據采集。通過GPRS無線系統，采用CMNET傳輸方式將數據實時發送至控制計算機。自動數據采集系統構成及布置如圖3所示，主要儀器設備及主要配件如表1所示。

圖3 自動數據采集系統布置示意

表1 機箱及通道線分布

4.2 系統線路布置方案

為了便于將所有斷面傳感器有效連接在一起，總線采集機箱設置于主塔位置，機箱共64個通道。通道分布和連接線纜長度如表2所示。

表2 通道分布及接線長度

4.3 導線線路布設及套管類型

根據表2的導線分組布設方案，將同一組的導線放置在同一套管內，均沿護欄內側導引至機箱位置。套管分為兩種，應力線主要采用的是D55(直徑55 mm)的PVC材料的線管，每根長4 m。另一種套管是D35的PVC細管，用來盛放錨索計線，線路總長120 m。三通及彎鉤數量根據現場情況確定。

5 結 論

(1)本健康監測方案，以施工預埋傳感器和監控測點為基礎，結合定期測試的方法，對橋梁健康狀態進行定期評估，自動化程度高，費用低。

(2)索力、主梁和主塔應力是斜拉橋使用階段最重要的控制參數，在資金允許的前提下，索力可考慮采用自動測試系統，從而使大橋的健康監測系統更加完善。

(3)該健康監測系統服務維護和評估期為2年，服務期滿后，系統數據移交管理方，管養單位可每3年委托具有相應檢測評估資質的單位進行定期安全性評估。