基于攝影測量的新型混合梁橋監測預警方案

陳光軍，王成銅

(1.浙江省長興交通投資有限公司 湖州市 313100； 2.浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

0 引言

傳統混合梁橋中的鋼箱梁一般多采用整體鋼箱梁分箱制作，運到現場后進行連接。運至現場進行焊接連接，不僅工程量大，而且工人在鋼箱內部進行焊接，操作困難且焊接質量不易保證。將單箱多室鋼箱梁變為多箱單室即分離式鋼箱梁，通過設置鋼橫隔梁并采用螺栓連接將各分離鋼箱梁連接成整體，混合梁的組合形式轉化為單箱多室混凝土箱梁連接多箱單室鋼箱梁，借此大幅度減少鋼箱內焊接的工程量，降低施工難度，提供施工效率[1-2]。

目前橋梁動力性能研究主要包括車輛移動荷載作用下的車橋耦合動力響應、疲勞損傷以及地震作用下的橋梁反應等。對于混合梁目前動力性能的研究主要集中于抗震性能，而對于移動車輛荷載作用下的車橋耦合動力反應研究并不是很多。

車橋耦合問題的研究，雖然目前理論有了很大的發展，但是考慮到鋼筋混凝土或者預應力鋼筋混凝土橋梁結構剛度的變化特性、橋梁結構阻尼的離散性和橋面不平整的隨機性，需要在理論研究的基礎上借助現場試驗，通過現場進行動載試驗進行數據采集，對比理論結果綜合分析[3-7]。依托金溪大橋工程詳細闡述新型單箱混凝土-多箱鋼混合梁橋的監測系統設計方案，為研究其動力性能提供數據支撐。

1 工程背景

金溪大橋跨長湖申線航道(IV級航道)，橋梁軸線于航道軸線交角為88.2°，橋下最高通航水位為2.86m，通航凈空寬55m×高7m，梁橋總寬38m。采用的是左右分幅設計，主橋上部結構采用鋼-混混合梁(45m+80m+45m)。圖1為金溪大橋的立面圖。

圖1 金溪大橋立面圖(單位：cm)

金溪大橋混凝土箱梁為單箱三室斷面，箱梁頂面寬18.75m，挑臂長為2.5m，底面寬13.75m，具體的截面尺寸為圖2所示。

金溪大橋的主橋鋼箱長40m，標準鋼箱梁、大橫隔板、小橫隔板的組合形式，如圖3所示。橫向沿橋長方向每1.5m設置一道橫隔板，其中大橫隔板和小橫隔板交替設置，各分離箱橫隔板采用螺栓連接。同時為了增加鋼箱梁的結構剛度，鋼箱梁內部頂、底板處設置縱向加勁肋。

圖2 混凝土箱梁截面示意圖(單位：cm)

圖3 鋼箱梁截面組合形式

鋼混結合段與混凝土段進行混凝土整體澆筑，再通過預應力筋的張拉結合在一起，與鋼箱梁段通過焊接連接成整體。

2 攝影測量

傳統的傳感器如激光傳感器和全站儀只能用于測量橋梁的相對位移，無法對橋梁進行長期監測[8]。全球定位系統(GPS)可對橋梁進行長期監測，但具有兩大局限性[9-10]：測量的精度較低；無法準確監測橋面下面橋墩的位移。故為了能夠實時準確監測鋼箱跨中的撓度，采用攝影測量系統。

攝影測量系統分為動撓度監測與報警抓拍系統。該系統是基于物聯網技術和云平臺，通過采用新型動撓度傳感器和各種傳統傳感器的綜合方案設計[8-9]。該監測系統可實現以下三大目標：實時監測跨中鋼箱的動撓度；當動撓度超限時，可抓拍路面車輛情況；當系統監測到超限時，會用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理。

動撓度的實時監測需要動撓度傳感器與靶點進行協調工作，并且靶點設置的位置也必須在動撓度傳感器的紅外掃描范圍之內。動撓度傳感器其原理為：傳感器中影像傳感器獲取目標靶變化后，通過圖像測量算法即可求出監測目標靶位置隨時間變化參數，并經過分析計算得到目標的位移，進而獲得被測物體運營過程中的實時動態位移，具有二維實時測量，測量精度高、范圍大，適合長期、在線、多點自動測量。

圖4 動撓度傳感器原理圖

報警抓拍系統與動撓度監測系統密切相關。報警抓拍系統利用動撓度監測系統的實時數據，根據預設的報警閾值實時判斷超限情況，超限發生后上傳報警信息，同時控制專用攝像機拍攝現場圖片，并通過微信公眾號、瀏覽器報警信息等各種手段上傳報警信息和現場圖片，供值班員或相關人員決策。

橋梁安全檢測與預警系統的監測報警線路如圖5所示。

圖5 監測報警路線圖

3 監測方案

監測系統分為動撓度監測系統與報警抓拍系統，傳感器具體布置如圖6所示。動撓度監測系統由目標靶、基準靶和動撓度傳感器共同組成。沿橋面自北向南，依次在橋墩上安裝基準靶1個，跨中橋底安裝目標靶4個，橋墩上安裝動撓度傳感器1個。報警抓拍系統所需的抓拍攝影頭，安裝至距離跨中靶點順橋向大約30m的電線桿上，另外在電線桿上架設1個供電箱。

用于掃描靶點的動撓度傳感器固定在橋墩上，引線用黑色的波紋管穿好固定于箱梁的底板上，如圖7所示。

圖6 傳感器布置圖

圖7 動撓度傳感器安裝

跨中目標靶點借助于橋檢車的配合安裝在鋼箱的兩側。高精度水準儀的監測點也安裝在目標靶點的附近位置，如圖8所示。通過對比高精度水準儀與動撓度傳感器所測撓度值，從此來驗證動撓度傳感器系統實測數據的準確性。

圖8 目標靶點位置

基準靶點的位置考慮到動撓度傳感器掃描范圍有限，故將基準靶點安裝到離橋墩中心線4m處的混凝土梁底板下方。基準靶點現場安裝位置如圖9所示。測點布置圖如圖10所示。

圖9 基準靶點位置

圖10 測點布置圖

4 實測數據分析

4.1 靜載測試

靜載測試的目的：對比靜載下高精度水準儀和動撓度傳感器測得的豎向位移，從而驗證動撓度傳感器監測數據的準確性。

加載方案：金溪大橋橋面的車道，自西向東依次劃分為機動車道1、機動車道2、綠化帶、輔道以及人行道。本次靜力加載實驗，采用中跨加載方案。現場的檢測單位將4輛38t的加載車輛緩慢行駛到中跨位置停靠。靜力加載車輛位置如圖11、圖12所示。

圖11 車輛加載示意圖

圖12 靜載測試現場

加載過程：在測試開始前，用高精度水準儀測監測點的豎向位移。待加載車輛行駛并停靠在中跨，通過高精度水準儀讀取靜力荷載作用下監測點的豎向位移。靜力荷載作用下監測點的豎向位移值減去初始的豎向位移值，即在靜力荷載作用下產生的位移。動撓度傳感器會實時記錄加載車輛從上橋行駛至中跨—停靠中跨—中跨行駛至下橋全過程的豎向位移。

4.2 靜載測試結果分析

由于靜載測試的位置更接近目標靶點A、B，故選取更具有代表性的靶點A、B進行數據處理分析。靶點A、B的撓度值如圖13、圖14所示。對比靜載作用下A、B兩點的豎向位移曲線，可發現A、B兩點的曲線基本一致，這亦可以反映出金溪大橋采用的分離式鋼箱整體協調性良好。由于橋梁位于航道上面，附近也未有高聳建筑物，所以平日橋面風力較大。同時由于靜載測試時，橋面上仍有少量的車輛停滯以及部分人員的走動，故在加載車輛停止的這三分鐘時間內，A、B兩點豎向位移還存在略微的擾動，導致略微的誤差。

圖13 A點豎向位移

圖14 B點豎向位移

在靜載作用下，動撓度傳感器測得A點的豎向位移大致保持在17.2mm，B點的豎向位移大致保持在16.8mm。高精度水準儀測得A點的豎向位移為17.9mm，B點的豎向位移為17.5mm。將動撓度傳感器的數據和高精度水準儀測的數據進行對比，如表1所示。

表1 動撓度傳感器與高精度水準儀數據對比表

從表1中可以看出高精度水準儀測得的豎向位移均高于動撓度傳感器測得的豎向位移，經分析可能是因為高精度水準儀的監測點對比于動撓度傳感器的靶點更靠近鋼箱底部中心。靜載測試加載車輛的位置是靠近內側護欄，故理應邊箱梁底部的中心的豎向位移最大，隨后向兩側減小。同時本次監測所用的動撓度傳感器其精度為0.3mm。從表1也可看出，A點的豎向位移大于B點豎向位移，這也符合實際加載情況。

通過計算，A、B兩點的數據皆相差4%，誤差均在5%以內，驗證了動撓度傳感器系統記錄數據的準確性。

5 案例分析

以一次1級報警信息為例，監測系統撓度報警信息如圖15所示，圖中的黃色曲線為實時記錄的撓度曲線，兩條紅色曲線分別對應著不同報警級別的報警閾值。當車輛行駛通過，鋼箱的撓度超過閾值，抓拍攝像頭將抓拍該時刻行駛車輛。報警系統會用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理，同時報警信息會及時上傳、保留在智慧監測平臺之中。

圖15 報警時段撓度曲線

6 結語

提出了一種基于攝影測量的監測預警系統，并以浙江省長興縣內的金溪大橋為依托，對其監測系統的設計方案進行了詳細的分析與闡述，通過靜載測試驗證動撓度傳感器監測數據的準確性。該監測系統實施的意義：

(1)為后期研究新型混合梁橋提供數據。

(2)為橋梁養護單位提供實時橋梁健康數據。

(3)該系統實施的成本降低，可以適用于眾多的中小橋中，推進交通運輸信息化建設。