淺談健康監(jiān)測系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護中的應(yīng)用

楊云云

（甘肅省臨夏公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 臨夏 731100）

0 引言

劉家峽大橋于2013 年12 月通車運營，該橋為單跨雙索面地錨式懸索橋，為當(dāng)時西北地區(qū)最大跨度的懸索橋。從掌握的資料看，橋梁寬度在同規(guī)模橋梁中最窄，首次采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為懸索橋橋塔，橋塔為當(dāng)時世界上最大直徑的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，重要性十分突出。為了更好地對該橋進行管養(yǎng)，在其上安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)進行實時全方位的監(jiān)測，使管理人員在控制室內(nèi)就可了解現(xiàn)場已經(jīng)發(fā)生和即將發(fā)生的重要事件，并能迅速采取果斷措施加以處理，有效提高綜合防范和安全管理能力。本文結(jié)合劉家峽大橋的實踐，對健康監(jiān)測系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護中的應(yīng)用進行分析總結(jié)。

1 橋梁概況

劉家峽大橋為單跨536m雙鉸簡支鋼桁梁雙索面懸索橋，建成于2013年。臨夏折橋側(cè)邊纜跨度148m，蘭州達川側(cè)邊纜跨度113m，兩邊跨均無吊索。主纜中心距為15.6m，吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距為8m。錨碇為混凝土三角框架式。門式框架鋼管混凝土橋塔，基礎(chǔ)為18根直徑2m 的灌注樁，臨夏岸橋塔樁長35m，永靖岸塔樁長25m。主纜為PPWS，主纜每根44股，一股有127根直徑5.2mm 鍍鋅高強鋼絲，主纜外徑為42.93cm、43.46cm，由73 根直徑5.0mm鋼絲組成一束吊索。加勁梁為鋼桁梁，橋面為正交異性板，弦桿高4m，弦桿全寬16.105m。加勁梁在兩端各設(shè)置豎向支座2個，橫向抗風(fēng)支座4個。橋面鋪裝采用3cm 厚環(huán)氧瀝青和3cm 厚瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的意義和必要性

公路橋梁在自然環(huán)境(大氣腐蝕、濕度及溫度變化等)、使用環(huán)境(荷載作用與頻率增加、材料與結(jié)構(gòu)疲勞加劇等)和外部各種因素影響下，會慢慢產(chǎn)生缺陷和損壞，若持續(xù)發(fā)展會致使橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害、行車隱患，嚴(yán)重影響橋梁的運營安全。近些年來，國內(nèi)發(fā)生多起橋梁坍塌事件。為了保障橋梁運營安全，橋梁管理單位通常采用的技術(shù)手段是人工檢查，這種方式獲取的數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性和實時性，不易及時發(fā)現(xiàn)隱蔽病害，難以有效保障橋梁安全。據(jù)美國聯(lián)邦公路委員會調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，人工檢查的結(jié)果不恰當(dāng)?shù)挠?6%。如美國密西西比河大橋垮塌事件，垮塌前2年人工檢查并沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害。這些嚴(yán)重的橋梁安全事故使人們認識到了人工檢測技術(shù)存在的不足和局限性，同時也認識到了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性和重要性。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已在我國發(fā)展近30 年時間，逐步走向成熟，也對我們橋梁養(yǎng)護管理單位提供了科學(xué)決策的數(shù)據(jù)支撐，為橋梁安全運行發(fā)揮積極作用。

3 健康監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037-2016)相關(guān)規(guī)程，結(jié)合橋梁管養(yǎng)實際，劉家峽大橋橋梁健康監(jiān)測實施內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)溫度、索力、環(huán)境溫濕度、梁端位移、交通荷載、自振頻率等8 個模塊及人工檢查。現(xiàn)介紹健康監(jiān)測內(nèi)容中主要的7個方面。

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)變形模塊

橋梁結(jié)構(gòu)是否變形是橋梁安全運行的最直觀的指標(biāo)。如果結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去了應(yīng)力平衡，橋梁可能會隨時傾覆。所以布設(shè)結(jié)構(gòu)變形模塊對結(jié)構(gòu)的變形進行監(jiān)測、分析是非常必要的。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測模塊

首先，橋梁設(shè)計時結(jié)構(gòu)應(yīng)力必須符合設(shè)計規(guī)范。其次，結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生超限變化，必然影響結(jié)構(gòu)材料的耐久性，材料性能變化必然引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、應(yīng)力集中等惡性變化，通過對結(jié)構(gòu)應(yīng)力持續(xù)監(jiān)測可以提前判斷、分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以布設(shè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力模塊對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行監(jiān)測、分析是非常必要的。

3.3 環(huán)境溫、濕度監(jiān)測模塊

橋梁安全運行中環(huán)境影響是不可忽略的。溫度變化不僅對橋梁結(jié)構(gòu)材料性能有所影響，還對健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集元器件性能有所影響，所以有必要同步監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度。劉家峽大橋鋼構(gòu)件較多，濕度對結(jié)構(gòu)防腐影響較大，有必要對環(huán)境濕度進行監(jiān)測，當(dāng)濕度超出規(guī)定值時，啟用必要的除濕程序，改善環(huán)境濕度。

3.4 梁端位移監(jiān)測模塊

劉家峽大橋為懸索橋，其剛度較小，在溫度、汽車制動力、風(fēng)力、地震等作用下可能會產(chǎn)生超限的縱向水平位移，會嚴(yán)重影響橋梁安全運行。

3.5 索力監(jiān)測模塊

劉家峽大橋作為懸索橋，其纜索系統(tǒng)是橋梁的重要組成部分，發(fā)揮著非常重要的作用。其中主纜為上部結(jié)構(gòu)主要承重結(jié)構(gòu)，負責(zé)將恒載和活載傳遞至錨碇和索塔，而吊索負責(zé)將加勁梁和橋面板以及通行的行人車輛荷載傳遞至主纜。纜索系統(tǒng)的破壞直接影響橋梁運營安全，所以有必要對主纜和吊索的索力進行監(jiān)測。

3.6 自振頻率監(jiān)測模塊

自振頻率直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)息息相關(guān)，如橋梁自振頻率與受到的外界振動頻率一致，就會發(fā)生共振，會導(dǎo)致橋梁構(gòu)件損壞，自振頻率將會發(fā)生變化，如果共振嚴(yán)重時可能影響橋梁的安全運行，所以有必要對自振頻率進行監(jiān)測。

3.7 車輛荷載監(jiān)測模塊

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，劉家峽大橋車流量陡增，伴隨著超限超載車輛長期作用，橋梁技術(shù)狀況急劇惡化、嚴(yán)重影響橋梁服役時間。并且近年來超載超限車輛通行致使橋梁損毀的案例也時常發(fā)生，所以布設(shè)車輛荷載監(jiān)測模塊，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化并預(yù)警，配合電子抓拍系統(tǒng)對車輛信息進行收集，可與路政執(zhí)法部門進行聯(lián)合治超，保護橋梁運行安全。

4 監(jiān)測模塊的布設(shè)

4.1 橋梁應(yīng)變和溫度監(jiān)測

（1）加勁梁應(yīng)變和溫度監(jiān)測。在橋梁主跨加勁梁L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8 斷面處，分別安裝4支應(yīng)變傳感器監(jiān)測加勁梁應(yīng)變及溫度變化情況，共安裝28支。

（2）橋塔應(yīng)變及溫度監(jiān)測。在每個橋塔根部斷面安裝應(yīng)變傳感器，測量橋塔應(yīng)力。傳感器在橫斷面布設(shè)在橫橋向和縱橋向兩個方向的4 個位置，共安裝16支。

（3）索股拉力監(jiān)測。在每個錨室選取8 根索股，對索股索力進行監(jiān)測。在每個索股的2 根拉桿上安裝應(yīng)變傳感器，每個錨室安裝16支，共64支。

（4）橋面板動應(yīng)變監(jiān)測。在3 跨橋面板各布設(shè)12支應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測橋面板動應(yīng)變，監(jiān)測正交異性橋面板動應(yīng)變指標(biāo)。

全橋共計布設(shè)144支應(yīng)變傳感器。

4.2 變形監(jiān)測

（1）加勁梁撓度監(jiān)測。在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面上游布設(shè)GNSS 測點，并在橋頭布設(shè)基準(zhǔn)點，監(jiān)測加勁梁空間變形。

（2）橋塔變形監(jiān)測。在4個橋塔塔頂格柵處各布設(shè)1 個GNSS 測點，用于監(jiān)測橋塔三維變形。在4 個塔頂各布設(shè)2個光纖光柵傾角計，監(jiān)測縱橋向和橫橋向兩個方向的橋塔傾斜變化。

（3）伸縮縫位移監(jiān)測。全橋共4 道伸縮縫，每道伸縮縫安裝2個拉線式位移計，監(jiān)測橋梁伸縮縫位移。

（4）主纜變形監(jiān)測。在本橋3 跨跨中上、下游主纜各布設(shè)一個GNSS測點，用于監(jiān)測主纜變形。

全橋共布設(shè)18個GNSS測點、8支傾角計，8支拉線式位移計。

4.3 動力特性監(jiān)測

（1）加勁梁動力特性。根據(jù)通用有限元軟件Midas Civil 振型計算結(jié)果，在橋梁主跨加勁梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 斷面處各布設(shè)1 支雙向或三向加速度傳感器，分別監(jiān)測加勁梁橫向和豎向加速度。

（2）橋塔動力特性。在4個橋塔頂部各安裝1支雙向或三向加速度傳感器，分別監(jiān)測橋塔縱橋向和橫橋向加速度。

（3）吊索索力監(jiān)測。劉家峽大橋每幅索面65 根吊索，每一幅索面選擇其中13根吊索安裝加速度傳感器，用于測量吊索索力。

全橋共計布置37支加速度傳感器。

4.4 環(huán)境溫濕度監(jiān)測

在4 個錨室內(nèi)、4 個主索鞍鞍罩內(nèi)以及加勁梁1/4、1/2、3/4 斷面橋面處安裝溫濕度計，監(jiān)測環(huán)境溫度及濕度。溫濕度傳感器全橋共安裝11支。

4.5 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

（1）塔頂風(fēng)速風(fēng)向：在4 個塔頂各安裝1 支風(fēng)速風(fēng)向儀，用于監(jiān)測塔頂風(fēng)速和風(fēng)向；

（2）橋面風(fēng)速風(fēng)向：在跨中上下游橋面各安裝1 支風(fēng)速風(fēng)向儀，監(jiān)測橋面風(fēng)速風(fēng)向。

全橋共安裝6支風(fēng)速風(fēng)向儀。

4.6 橋梁視頻監(jiān)控

在兩側(cè)上游橋塔塔頂格柵、兩側(cè)橋頭以及加勁梁兩端，各安裝一臺高清球機，對橋梁運營狀況、監(jiān)測系統(tǒng)運營狀況進行實時監(jiān)控。全橋安裝6支。

4.7 橋梁動態(tài)稱重及電子抓拍

在蘭州岸散索鞍支墩處布設(shè)動態(tài)稱重及電子抓拍系統(tǒng)，對通行車輛特別是超載貨車進行實時不停車稱重及對公路載荷信息進行大數(shù)據(jù)分析和處理。在稱重傳感器前后25m 左右位置處安裝車牌抓拍攝像機和監(jiān)控攝像機，不但可以對超載車輛進行有效的識別，還可以對現(xiàn)場情況進行24h監(jiān)控。

當(dāng)車輛經(jīng)過稱重區(qū)域時，數(shù)據(jù)采集器采集并分析運輸車輛的軸重、車輛總重、車輛通過速度、車型、軸距、車輛是否通過等信息。

當(dāng)被檢測車輛完全通過后，數(shù)據(jù)采集器將采集到的車輛初始信息傳輸至稱重儀表，稱重儀表通過計算輸出完整的車輛信息(包括軸重、車輛總重、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、通過速度、通過加速度/減速度、通過時間、通過車道等)，然后，稱重儀表將車輛數(shù)據(jù)和車牌數(shù)據(jù)匹配打包后上傳給現(xiàn)場服務(wù)管理工控機。

5 安全預(yù)警及監(jiān)測閾值

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)一段時間的運營狀況以及相關(guān)技術(shù)資料確定出針對該橋?qū)嶋H狀況的安全技術(shù)指標(biāo)及其閾值。

5.1 安全預(yù)警級別

劉家峽大橋安全預(yù)警狀態(tài)分為綠、黃、橙、紅四級：

（1）結(jié)構(gòu)響應(yīng)綠色，結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)；

（2）結(jié)構(gòu)響應(yīng)黃色，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常；

（3）結(jié)構(gòu)響應(yīng)橙色，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)危險情況；

（4）結(jié)構(gòu)響應(yīng)紅色，表示結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。

系統(tǒng)根據(jù)實時預(yù)警評估系統(tǒng)的評估結(jié)果，當(dāng)判斷結(jié)構(gòu)處于“安全”狀態(tài)，則繼續(xù)實時評估；當(dāng)實時預(yù)警評估結(jié)果超過安全閾值時，判斷結(jié)構(gòu)處于“不安全”狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)不同的預(yù)警級別發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號以及管制措施，并按照預(yù)警后觸發(fā)方式啟動安全評估系統(tǒng)對其橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進行全面的評估；當(dāng)實時預(yù)警評估系統(tǒng)不能判斷結(jié)構(gòu)安全與否，系統(tǒng)也會自動按照預(yù)警后觸發(fā)方式自動調(diào)用安全評估系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)進行全面評估，進一步判斷結(jié)構(gòu)是否處于“安全”狀態(tài)，若處于“不安全”狀態(tài)，則啟動報警系統(tǒng)。

5.2 預(yù)警措施

不同預(yù)警級別對應(yīng)不同的預(yù)警措施，具體如下：

（1）黃色預(yù)警：記錄預(yù)警狀態(tài)，由養(yǎng)護單位技術(shù)人員到現(xiàn)場查看報警區(qū)域傳感器及結(jié)構(gòu)是否存在異常，定期檢查時重點核查；

（2）橙色預(yù)警：養(yǎng)護單位及時上報運營管理單位，運營管理單位次日組織相關(guān)單位及技術(shù)人員到現(xiàn)場檢查，5日內(nèi)出具橙色預(yù)警處治報告；

（3）紅色預(yù)警：養(yǎng)護單位及時上報運營管理單位，并派駐技術(shù)人員到現(xiàn)場查看，運營管理單位當(dāng)日組織相關(guān)單位及技術(shù)人員到現(xiàn)場進行全橋檢查，必要時進行交通管制，次日提交紅色預(yù)警處治報告。

5.3 預(yù)警閾值設(shè)定

安全預(yù)警模塊通過建立局部測點閾值、參數(shù)類別閾值、整體工作閾值的多層次閾值體系實現(xiàn)，目的在于根據(jù)閾值預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷、防止突發(fā)破壞并為特殊災(zāi)害下的管理措施提供依據(jù)。實時安全預(yù)警設(shè)黃色和紅色兩級，當(dāng)超過閾值時自動報警，預(yù)警信息包括預(yù)警級別、報警傳感器編號和位置、報警的監(jiān)測值和預(yù)警值。

6 結(jié)束語

綜上所述，采用橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控橋梁的安全十分必要，也十分重要。從劉家峽大橋的實踐來看，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在懸索橋預(yù)防性養(yǎng)護中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。未來，為全面、實時掌握大橋運營階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，有必要建立一套現(xiàn)代化的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立一套數(shù)字化、信息化、智能化、科學(xué)有序的養(yǎng)護運營管理平臺，對大橋結(jié)構(gòu)各種關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)、指標(biāo)進行長期、適時、系統(tǒng)地監(jiān)測，并對橋梁的技術(shù)狀況和承載能力作出評估，制定緊急狀況應(yīng)急預(yù)案，在結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)嚴(yán)重異常時發(fā)出警告，為大橋管養(yǎng)維修決策提供更加具有針對性的參考和指導(dǎo)，更加合理配置管養(yǎng)資源，進一步降低大橋壽命期內(nèi)養(yǎng)護維修成本，實現(xiàn)“全壽命周期內(nèi)的監(jiān)管養(yǎng)護”的目標(biāo)。