大跨度連續剛構橋健康監測系統設計

李 春，陳 超，夏宏達,楊曉燕

(1. 中電建路橋集團有限公司，四川成都 610300，2. 西南交通大學，四川成都 610000; 3. 中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢 430034)

橋梁建成使用后的健康狀態越來越受到人們的關注，自20世紀80年代起發達國家陸續建立起多種橋梁健康監測系統；20世紀末21世紀初隨著我國基建項目的大量實施，橋梁健康監測系統在我國開始被使用[1-3]。截止目前，我國已經在包括江陰大橋、虎門大橋、南京長江大橋、蘇通大橋在內的多座橋梁上建立健康監測系統。以2009年建成的武漢長江大橋為例，該系統具備完整的數據管理查詢、安全評估和報警功能，運行情況良好、可操作性強[4]。這些系統針對的多為懸索橋、斜拉橋或鋼橋，對于連續剛構橋的健康監控系統布置較為少見。本文結合赤水河大橋的工程實際情況，建立了健康監測系統，針對連續剛構橋由溫度梯度引發的橋梁結構健康問題和橋上車輛荷載確定問題進行了一定的探索。

1 赤水河大橋工程概況

赤水河大橋該橋起于K21+741.00，止于K22+359.00，大橋全長618 m。合江岸位于R=600m緩和曲線上，瀘州岸位于直線上。全橋大部分位于單向2.7 %的縱坡上。路線采用整幅設計，橋梁采用分幅設計。

赤水河大橋跨徑組合為4×40 mT梁+(105+200+105) m連續剛構+1×40 m預應力簡支T梁，主橋為(105+200+105) m三跨預應力混凝土連續剛構。為三向預應力混凝土結構，主梁為分幅式單箱單室截面(圖1)。

圖1 赤水河大橋橋型布置(單位:cm)

赤水河大橋為大跨度預應力混凝土連續剛構橋，其剛度大，橋面平順，結構構件數量少，在運營過程中容易出現混凝土收縮裂縫，基礎發生沉降，預應力損失造成溫度裂縫與橋梁結構裂縫的耦合作用，使得橋梁劣化速度加快。因此系統設計時應針對預應力混凝土連續剛構橋的技術特點，針對性的設計溫度、應力、撓度的監測項目及指標，實時監測橋梁的運營環境以及結構受力特點。該系統可實現對大橋運營狀況和病害損傷的長期監測與評估，為保證橋梁本身運營安全和橋上行車安全，及時發現并消除橋梁結構安全隱患，提高對大橋科學養護和維修的技術水平提供有力的技術支持。

2 健康監測系統總體要求

長期監測技術是結合了計算機技術、數據分析技術、傳感器技術以及橋梁科學的多學科交叉融合的綜合性技術。將各個學科技術中的關鍵技術，通過在赤水河大橋上進行綜合，實現大橋的長期監測。

赤水河大橋長期監測是以現階段橋梁長期監測發展的積累的技術成果之上進行的一套監測系統，將成橋荷載試驗的結果以及在橋梁長期運營過程中的檢測結果等內容作為橋梁長期監測的基礎數據，也包含了橋梁長期運營過程中的監測成果。

針對赤水河大橋的橋梁特點，以及橋梁的荷載特點，切合實際的制定該橋長期監測系統的設計目標，為該橋量身定做一套長期監測系統，探尋橋梁劣化原因及保障橋梁運營安全，構建的赤水河大橋的長期監測系統擬達到如下目標：

(1)實現系統穩定性，減少系統運營期維護的人力成本，增加系統運營的連續性，為橋梁評估提供充分的監控數據。

(2)實現系統的穩定可靠及兼容性，保證傳感器具有一定的冗余程度，以及實現系統的可擴展性，使系統維護更容易，方便。

(3)考慮到剛構橋在溫度梯度下可能出現的結構效應，對橋梁所處環境溫度進行監測，實時掌握橋梁工作環境狀況，并為分析環境因素對橋梁結構運營狀態的影響提供基礎資料。

(4)通過橋梁準靜態監測方式記錄橋梁運營期的荷載響應，實現對橋梁運營狀態下的結構變形、應力等狀態參量監測，掌握橋梁實際力學行為和使用狀況。

(5)通過web-gis技術實現系統遠程登錄及查看，并實現系統的遠程可控，遠程可維護，通過B-S技術，使系統操作性更靈活，登錄更快捷，頁面更友好，使用體驗感更舒適。

(6)通過多傳感器數據融合技術，建立科學有效的自動化結構狀態預警及安全評估機制和軟件系統，根據監測數據及時對異常結構響應實施預警報警，并對結構安全和正常使用狀況進行評估。

3 傳感器構成與布置

3.1 傳感器布設方法

為合理確定傳感器位置，建立全橋有限元模型對橋梁易損位置進行分析，考慮結構溫度梯度[5]與車輛活載的影響，找到最大變形位置，相應的布置傳感器。橋梁模態監測測點的選取需參考模態分析結果。

赤水河大橋的監測內容主要包括以下幾項：

(1)橋址環境參數監測：環境參數監測主要包括橋址處溫度監測及橋面車輛運營狀況監測。溫度監測采用結構溫度傳感器，運營狀況監測采用高清攝像頭。

(2)結構整體響應監測：結構的整體響應主要包括主梁的下撓及梁體伸縮及位移監測。建立主橋的有限元模型，考慮結構溫度梯度和車輛活載情況下的主橋撓度如圖2所示，中跨最大撓度出現在跨中位置，邊跨最大撓度出現在距支座42 m位置。以此作為撓度測點布置依據進行傳感器布置。分別采用高精度撓度傳感器及高精度位移傳感器進行監測。

圖2 考慮結構溫度梯度與車輛活載主橋撓度

(3)橋梁局部響應監測：局部響應主要為結構的應力響應，采用靜應變傳感器監測橋梁長期應力狀態，動應變傳感器監測橋梁在活荷載作業下的響應。

(4)橋梁模態監測：振型監測主要依靠振動傳感器來完成，一般布置在主振型最大振幅位置，參考圖3、圖4模態分析結果指導振動傳感器的布置。

圖3 中跨一階豎彎

圖4 邊跨一階豎彎+中跨二階豎彎

(5)橋梁運營荷載監測：超載是該橋的主要運營風險之一，通過設置在引橋處的動應變傳感器對上橋車輛荷載進行監測，當車輛超載率較大時，發出報警。

為實現檢測系統的功能監測傳感器的選取如表1所示。赤水河大橋健康監測系統傳感器布置情況如圖5所示。

圖5 赤水河大橋健康監測系統傳感器布置

3.2 監測系統通信網絡的布設

現場數據采集站由采集主機和、若干個采集模塊及配套網絡組成。振動監測、變形監測、應變監測、溫度監測和視頻監控網絡輸出RJ45網絡信號，通過光纖收發器、網線、工業交換機與采集主機相連，網線距離不超過100 m。健康監測系統各個子系統之間的關系和流程如圖6所示。

本系統主要信號類型有以下幾種：頻率信號：振弦應變計等；1-wire總線：數字溫度計等；電流輸出信號：撓度儀、位

表1 健康檢測系統傳感器匯總

圖6 數據采集與傳輸層級分布

移計等；電壓輸出信號：電阻應變、加速度計等；以太網輸出信號：高清攝像頭等。

針對不同傳感器輸出信號的不同，需要將傳感器輸出各異的信號采用統一的接口接入工業以太網交換機，因此必須設計和采用合理的采集方法和設備進行數據采集，以利后端的數據傳輸。針對本系統中信號的分類，采集方案如下：

(1)將頻率輸出信號通過振弦采集儀進行數據采集后輸出RJ45信號，接入以太網傳輸網絡。

(2)將1-Wire信號通過溫度采集儀進行數據采集后輸出RJ45信號，接入以太網傳輸網絡。

(3)將電流輸出信號通過電流采集儀進行數據采集后輸出RJ45信號，接入以太網傳輸網絡。

(4)將電壓輸出信號通過動應變/振動采集儀(具有信號調理功能)進行數據采集后輸出RJ45網絡信號接入以太網傳輸網絡。

(5)RJ45型輸出接口信號直接接入以太網傳輸網絡。

3.3 動態稱重荷載重構

現今大部分橋梁健康監測系統的監控系統對于橋上荷載普遍采取的估計值[4]，對于撓度限制也基本采取規范要求的最大撓度作為安全評判標準[6]。以赤水河大橋為例，將動態稱重技術整合在橋梁健康監測系統中，用以得到更為精確的橋上荷載布置情況。

公路橋梁運營健康狀況監測平臺數據處理與管理子系統采用云平臺方式構建，每座橋梁傳感器設備通過互聯網或專用光纖互聯網接入健康監測管理系統平臺。

3.4 監控數據處理、管理、交互系統

數據處理與管理系統主要負責對接橋梁現場的傳感器設備。該系統總體構架如圖7所示。通過下發采集指令、接收上報監測數據的方式，將傳感器數據按照配置的解析類型、解算參數進行有效解析，并做基本的解析計算、合理值驗證等，并實時顯示至客戶端，持久化入庫，預處理數據統計等操作。針對自動化監測數據與人工采集數據進行分析統計，并自動按照各類模板要求生成橋梁健康監測數據報告報表。數據交互系統主要提供統一的標準數據、接口規范，完成對監測數據資源的合理規劃和設計，建立有效的存取數據的數據庫系統。整合各類數據資源的集中管理，建立數據采集傳輸標準，實現共享使用，保障橋梁數據存儲安全。

圖7 數據處理與管理系統總體構架

系統通過互聯網專線接入傳感器采集設備，在云平臺服務器上分別部署，設備網關采集程序、WEB服務、消息中心、數據存儲、數據預處理、統計服務，部署基礎核心中間件：Redis消息中間件、Mongodb采集數據庫集群、基礎數據庫(ORACLE/MSSQL/MYSQL)等。采用Windows平臺與Linux平臺結合的方式，構件可擴展的健康監測云平臺。

數據交互系統按照不同的子系統，設計不同的數據庫，如對動態數據和靜態數據分別建立數據庫分別儲存。各個橋梁數據庫之間通過系統數據庫和基礎數據庫建立聯系，可以進行數據的交叉查詢。

3.5 安全評價系統

安全評估與預警子系統提供橋梁的基礎信息配置、采集、解算參數配置、實時監測瀏覽、閾值告警、報告報表、設備自診斷監測等功能，是整個監測系統的重要功能組件，其構成及技術特征如下：

(1)安全狀態評估與子預警系統設在橋隧健康監測系統平臺的服務器內，由結構安全狀況評估服務器及預警、評估軟件系統組成。

(2)安全狀態評估與預警子系統以WEB方式響應用戶的請求，訪問動態數據庫和歷史數據庫。

(3)安全狀態評估與預警子系統管理原始數據庫、結構信息數據庫，對結構安全狀況進行評價，生成結構安全狀況報告，其中包括：監測并報告橋隧環境、交通荷載及參數；監測并報告橋隧在各種荷載作用下主要構件的結構響應情況；實現異常狀況下(包括監測自然荷載、交通荷載和各類響應超限)預警；分析并報告橋隧主要構件的技術狀況，評估橋隧整體及其各主要構件的使用性能。最后對數據進行深度分析，并將分析結果返回到結構狀態與狀態評估服務器。

4 結束語

赤水河大橋健康監控系統的成功建立是對全天候健康監測理論用于大跨連續剛構橋的一次重要嘗試，為結構的運營安全提供了保障，為該類結構健康監控系統的建立提供了借鑒。在此系統的設計與搭建過程取得以下成果：

(1)以模塊化思想構建該系統，統一設計、統一安裝，使各 個子系統之間既可以保證高效獨立運行，又可以與其他子系統完美協同。子系統間都留有冗余接口，使得整個系統在滿足現階段健康監控要求的同時也具備可擴充和升級的能力。

(2)考慮溫度梯度對連續剛構橋結構的影響，對橋梁結構進行建模分析，得到結構易損位置,以此為基礎合理布設健康監控傳感器。

(3)在引橋布置動態稱重測點，得到上橋車輛軸重與車速數據，完成主橋車輛荷載簡略重構。