上承式鐵路拱橋健康監測系統設計

章玉偉，顏永逸

(1.四川省軌道交通投資有限責任公司，四川成都，610023；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都，610031)

橋梁結構經過長期運營，由于自然侵蝕、材料老化以及荷載的反復作用、疲勞與沖擊效應等因素的綜合作用，不可避免地會產生損傷和抗力衰減，嚴重時還可能造成結構破壞從而引發安全事故[1]。為把握大型橋梁結構在運營過程中的承載能力、安全狀態和剩余壽命，避免發生突發事故，許多國內外重大型橋梁都建立了結合自身特點的健康監測系統[2-6]。隨著現代化傳感、通信、控制技術的不斷發展，結構健康監測技術也得到了更進一步的提升和更廣闊的應用[7-9]。

上承式拱橋由于其自身的跨越能力強、剛度大、適應力強，在西南山區的鐵路系統中大量應用。本文背景工程為某主跨340 m的上承式鐵路拱橋，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結構，大橋全長687.8 m。引橋及拱上孔跨布置為：2-65 m T構+(3-29.60+28.80)m預應力混凝土連續梁+(28.8+2×29.6+28.8)m預應力混凝土連續梁+(28.8+3-29.60)m預應力混凝土連續梁+(44+72+44)m預應力混凝土連續梁。由于大橋為采用勁性骨架施工法的大跨度鋼筋混凝土拱橋，此種施工方法工序繁雜，結構體系需要發生多次轉換。此外，同一斷面結構的剛度和強度是逐步形成的，也使得大橋后期的收縮徐變變形變得非常復雜，因此，本文以該大橋為背景，探討了上承式拱橋結構的健康監測設計關鍵技術，可供同類工程的監測系統設計參考。

1 結構受力計算

在進行結構健康監測系統設計前，對結構的靜動力分析是十分必要的。通過對結構的變形、應力以及自振特性等進行分析，可以確定和優化后續監測內容和測點布置方案。因此，本橋通過有限元模擬分析得到的部分計算結果如下。

1.1 部分靜力計算結果

由表1可知，成橋時，主力+附加力工況下鋼管應力最大值為325 MPa，管內混凝土最大應力為24.4 MPa，拱圈混凝土最大壓應力15.0 MPa，出現在拱腳底板附近，最小壓應力為2.7 MPa，出現在拱腳頂板附近。

由表2可知，在ZK豎向靜活載作用下，主跨跨中最大豎向位移為29.1 mm，1/4跨附近最大豎向位移為36.8 mm；在0.63倍ZK活載+溫度組合作用下1/2主拱圈撓度為90.9 mm，1/4主拱圈撓度為80.3 mm。

表1 成橋時拱圈結構應力計算結果 MPa

表2 列車活載與溫度荷載組合作用下主梁豎向撓度值 mm

1.2 部分動力計算結果

成橋狀態自振特性見表3。

表3 成橋狀態自振特性結果

2 健康監測系統方案設計

2.1 設計原則

為使大橋健康監測系統成為一個功能強大，滿足橋梁養護管理和運營的需要，同時又具經濟效益的結構健康監控系統，遵循如下設計原則：

(1)遵循簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的指導思想。

(2)根據結構易損性分析的結果及養護管理的需求進行監測點的布設。

(3)監測與結構安全性密切相關內容，主要監測一些有代表性的構件、必須進行監測的重要結構以及日常養護無法檢查或檢查非常困難的結構響應。

(4)從動力、靜力對結構進行監測，力求用最少的傳感器和數據量完成工作。

(5)以結構位移監測為主，以應力、模態分析為輔助。

(6)系統應具有可擴展性。

2.2 監測內容與方案

根據監測系統設計原則，結合該橋的技術難點以及結構計算分析結果，該大橋健康監測內容主要有四個方面：

2.2.1 環境參數監測

環境監測應包括風荷載、空氣溫度與相對濕度監測等內容。風荷載是橋梁的重要荷載源，尤其是對結構橫向振動的影響不容忽略。溫濕度荷載也是橋梁和軌道結構的主要荷載源，環境溫度作用可使結構產生較大的變形，影響結構應力變化，同時濕度也是影響混凝土徐變和強度的重要因素，改變構件的結構耐久性。

2.2.2 橋面平順性監測

橋面平順性監測分為兩個方面：

(1)豎向變形監測。高速鐵路軌道平順性要求高，需要對橋面的豎向變形進行監測，以實時監測由于拱圈徐變變形及溫度變化所引起的拱上梁豎向變形值。

(2)梁端轉角和拱上立柱傾斜監測。拱圈在溫度變化及長期徐變情況下，會產生較大的上抬或下撓變形，變形傳遞至拱上立柱，使得立柱發生水平和豎向位移，當水平位移較大時，會對拱上梁和支座產生較大影響。同時，為防止梁端轉角過大造成扣件系統失效，需對拱上梁梁端轉角進行監測。

2.2.3 拱圈結構受力監測

外包混凝土采用分環分段的方法澆筑，由于澆筑時間的不同，使得各環(面)混凝土的齡期差異大，同一截面的應力水平隨著分環澆筑時間的不同而不同，使得收縮徐變對拱的內力分布有影響，而拱圈的受力是整個結構的關鍵，因此需要對拱圈的受力特性進行監測。

2.2.4 結構動力特性監測

任何結構都可看作是由剛度、質量、阻尼等結構特性參數組成的動力學系統。當結構出現損傷時，結構的動力特征(頻率、阻尼等)也會隨之將發生改變。因此，動力特性改變可認為是結構狀態發生變化的標志。此外，結構振動水平的大小還直接影響高速行車的舒適性。

整個監測系統的初步測點布置如圖1所示。測點的布置說明見表4。

圖1 監測系統傳感器布置示意(單位：cm)

表4 監測系統傳感器布置

3 系統框架設計

大橋健康監測系統由五大部分組成(圖2)。

圖2 監測系統架構

3.1 傳感器子系統

傳感器子系統作為整個監測系統的最前端，是獲得結構信息的關鍵。主要包括光纖光柵應變傳感器、傾角傳感器、靜力水準儀、加速度傳感器、風速風向傳感器和溫濕度傳感器。這些傳感器是感知、采集、轉換和處理各種信息的必要器件，提供結構監測所需的最基本、最直觀的信息，關系到整個系統的質量和效果。

3.2 數據采集子系統

該子系統由布置在橋梁箱梁內和橋面上的調理設備、采集設備、采集計算機和傳感器電纜網絡等組成。其主要功能為：

(1)依據采集頻率要求，控制傳感器對結構信息采集。

(2)根據信號需要信號的轉換和調理。

(3)對采集的數據進行本地的存儲和預處理。

(4)將采集的數據發送至監控中心。

結合本橋的特點和傳感器的布設方式，對于應變傳感器采用光纖光柵解調儀通過光纖進行采集控制，其他傳感器均采用自主開發的無線組網采集儀進行采集，通過有線與無線的結合，有效的保證了數據采集的可靠性和靈活性，并且節省了線纜布設，減少了布設線纜過程的不必要的麻煩。

3.3 數據傳輸子系統

數據傳輸系統負責傳輸各個采集單元的數據至數據處理和控制系統，主要由通信網絡和通信協議組成。

3.4 數據處理與控制子系統

數據處理與控制系統包括對數據進行預處理、后處理、數據存儲、數據傳輸及數據顯示等數據管理和控制工作，此處還部署有結構的安全評估與分析系統。

數據的預處理主要進行數據的統計分析，計算設定時段內極值、均值、方差和變化幅值等相關統計量，用以初步判斷數據是否異常，作為基本預警信息的輸入，初步判斷結構是否有變化。

數據的后處理主要是對數據的時頻域分析、相關性分析、趨勢分析等，以便對結構的狀態進行把握，并預測其發展趨勢，這是作為性能評估的重要依據，該過程大多為離線處理，計算資源消耗較大，耗時相對較長。

結構的安全評估與分析系統是整個健康監測系統的核心，主要以分析結構的狀態和發現損傷為目標。整個系統分為在線評估和離線評估兩部分，在線評估主要依據采集的實時數據，通過統計和趨勢分析，設定合理的監測預警值，在結構發生異常時，給出有效的警報。通過對各個監測指標的分析，利用層次分析法建立評價體系，結合相關規范和結構自身特點設置指標權重，全面綜合的得到橋梁的健康狀態。離線評估是對所有監測數據的高階分析，通過基于模型和基于數據的方法，綜合分析和確定結構的安全狀態。整個系統將產生季度評估報告、年度評估報告和突發事件評估報告，以對結構的安全性、耐久性進行定性或定量的評估。

3.5 輔助支持系統。

由橋梁外場及監控中心輔助上述系統正常運行的設備組成，包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監控等子系統。

4 結束語

本文以某上承式鐵路拱橋為例，根據大橋的特點，結合養護與管理的需求，設計了符合該橋自身特點的健康監測系統。該系統監測內容合理，架構科學，針對性強，通過實時獲取橋梁結構在運營過程中的響應，分析和評估結構的安全狀態，能夠幫助運營部門分析和控制大橋的安全風險，提高管養的水平和效率，可供國內同類型的工程參考。