李子春，楊雅勛，郝憲武

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064)

傳統(tǒng)的橋梁檢測工作是采用人工檢測手段分別對橋梁的關(guān)鍵部位單獨檢測，對于一般的橋梁結(jié)構(gòu)，這種處理方法是可行的，然而對于大型橋梁結(jié)構(gòu)，由于其主要承重構(gòu)件數(shù)量眾多，如果仍然使用傳統(tǒng)方法，則對橋梁現(xiàn)場的實際情況將難以全面掌握。為了解決這一問題，研究橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時自動監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)性能，將是大型橋梁結(jié)構(gòu)檢測方式的發(fā)展趨勢［1］。

我國自20世紀90年代以來，修建了為數(shù)不少的剛構(gòu)—連續(xù)梁橋，這些橋梁在運營過程中逐漸暴露出一些病害，而橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在體現(xiàn)橋梁健康狀況方面起到很大的作用，為橋梁的日常維護和運營管理提供了科學(xué)依據(jù)［2］。本文以金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)為例，建立了橋梁的有限元模型，計算了大橋的自振特性，結(jié)合大橋自身結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了健康監(jiān)測的實施方案，為金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施打下基礎(chǔ)。

1 金水溝大橋有限元分析

金水溝大橋是國道主干線(GZ40)禹門口—西安段高速公路上的一座特大型橋梁。橋梁全長850 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)與連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)形式，跨徑為(88+5 × 136+78)m，其中 1#、5#、6#墩頂設(shè)置支座，其余橋墩的主梁與墩頂固結(jié)(參見圖2)。

本文采用有限元軟件ANSYS來建立金水溝大橋的計算模型，其中主梁、主墩采用空間變截面梁單元Beam188，二期恒載采用質(zhì)量單元Mass21。

采用子空間法(Subspace Method)計算金水溝大橋自振特性。表1給出了金水溝大橋模型的前10階頻率，前6階振型如圖1所示。

表1 模型前10階頻率

圖1 全橋第1～第6階振型

2 健康監(jiān)測項目的選擇

橋梁健康監(jiān)測項目的選擇，應(yīng)首先盡可能反映橋梁運營期間的結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)，并滿足橋梁管理部門、維修養(yǎng)護部門的有關(guān)要求，確定系統(tǒng)需要獲取哪些信息;其次應(yīng)結(jié)合監(jiān)測費用，從大量可選項目中選取適當項目實施，達到最大費用—效益比［3］。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目包括3個方面的內(nèi)容:工作環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測。從金水溝大橋健康監(jiān)測的目的出發(fā)，根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點和健康監(jiān)測的功能要求，確定該橋健康監(jiān)測主要包括以下項目［4］:

1)橋址處風(fēng)速、風(fēng)向的監(jiān)測;

2)環(huán)境溫度和橋梁各構(gòu)件溫度分布的監(jiān)測;

3)車輛荷載的監(jiān)測;

4)橋梁幾何線型的監(jiān)測;

5)結(jié)構(gòu)振動的監(jiān)測;

6)主要承重構(gòu)件受力的監(jiān)測;

7)支座位移的監(jiān)測。

3 健康監(jiān)測儀器的選擇及測點布置

對于具體橋梁健康監(jiān)測而言，傳感器的選型是非常重要的［5］。根據(jù)監(jiān)測項目的不同，對金水溝大橋健康監(jiān)測傳感器進行如下選擇:

1)風(fēng)速、風(fēng)向

采用EDZ-I型風(fēng)向風(fēng)速儀進行風(fēng)速、風(fēng)向的監(jiān)測。EDZ-I型風(fēng)向風(fēng)速儀可實時對風(fēng)向、風(fēng)速(瞬時、2 min、10 min)、風(fēng)變量、風(fēng)極值等進行自動觀測。該儀器采用玫瑰圖和數(shù)字方式顯示風(fēng)向及風(fēng)速、風(fēng)變量、極值、實時時鐘，可實現(xiàn)單站測量也可實現(xiàn)多站測量。

2)溫度、應(yīng)力

考慮到要適合長期觀測并能保證足夠的精度，溫度和應(yīng)力監(jiān)測的儀器選用加拿大ROCTEST公司出產(chǎn)的SM-5A弦式表面應(yīng)變計。這種應(yīng)變計可以同時測應(yīng)變和溫度，而且測試誤差小、性能穩(wěn)定，適合長期觀測。

3)車輛荷載

為了掌握過橋車輛的載重信息，在左右幅橋梁車道各入口處安裝壓力傳感器，采用實時觸發(fā)采樣。

4)幾何線型

金水溝大橋幾何線型監(jiān)測采用光電測距法。光電測距法是通過布置在主梁及墩身的棱鏡，與測量用的德國蔡司(ZEISS)全站儀配合使用，即形成光載波通信系統(tǒng)，利用全站儀的紅外激光探測功能，對棱鏡進行連續(xù)監(jiān)測，從而確定主梁和墩身的變位情況。金水溝大橋幾何線型監(jiān)測采用長期定時監(jiān)測，每月測試一次。

5)結(jié)構(gòu)振動

振動監(jiān)測使用的傳感器是中國地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891-II型拾振器。

6)支座位移

支座位移采用的傳感器為WY-100電子位移傳感器，在全橋5個支座分別沿橫、縱橋向各安裝1個。

金水溝大橋主橋傳感器具體布置如圖2所示。

圖2 金水溝大橋主橋傳感器布置

4 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成

金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、健康診斷系統(tǒng)及狀態(tài)評估系統(tǒng)，具體如圖3所示。

4.1 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要包括風(fēng)速儀、溫度計、應(yīng)變儀等多種傳感器及相應(yīng)的信號放大與接口，其目的是完成對橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境狀態(tài)、荷載信息以及結(jié)構(gòu)各種靜動態(tài)響應(yīng)信號的傳感與變換功能。

圖3 金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

4.2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理四個子系統(tǒng)［6-7］。

1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是將經(jīng)傳感器變換、調(diào)理器調(diào)理放大的信號進行收集、處理并傳送給計算機，以便作進一步的分析。

考慮到傳感器分布位置、信號放大及傳輸信號衰減等因素，在金水溝大橋的左右幅箱梁內(nèi)共設(shè)置12個數(shù)據(jù)采集外站，所有的監(jiān)測項目都進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集、存取。為確保外站設(shè)備穩(wěn)定持久地正常運行，為外站設(shè)計專門的機柜及其環(huán)境控制系統(tǒng)。同時，為了防止停電等故障對數(shù)據(jù)采集單元的影響，還需安裝 UPS電源。

2)數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負責(zé)傳感器到外站以及各個外站和監(jiān)控中心之間的連接。金水溝大橋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由12個外站、監(jiān)控中心3臺計算機、1臺計算機服務(wù)器，通過局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)和整體光纖網(wǎng)絡(luò)組成。

3)視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是監(jiān)測橋面交通情況，要求攝像頭布點合理、圖像清晰，監(jiān)控范圍覆蓋整個橋面。

4)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能，是實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)監(jiān)測過程中所獲取數(shù)據(jù)的存儲和管理，通過該系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)的修改、刪除、查詢等操作。金水溝大橋數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用3臺計算機連接橋上12個外站，形成一個計算機網(wǎng)絡(luò)，安裝在大橋監(jiān)控管理中心，并配置所需的數(shù)據(jù)顯示軟件。

4.3 健康診斷系統(tǒng)

健康診斷系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其目的就是利用監(jiān)測所獲取的結(jié)構(gòu)信息，對橋梁進行結(jié)構(gòu)分析與損傷識別。結(jié)構(gòu)損傷識別包括:損傷存在識別、位置識別和程度評估。金水溝大橋結(jié)構(gòu)損傷識別采用自行開發(fā)的損傷識別程序進行，包括根據(jù)金水溝大橋特點所建立的新的損傷識別指標及損傷識別優(yōu)化算法。

4.4 狀態(tài)評估系統(tǒng)

狀態(tài)評估系統(tǒng)是金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心內(nèi)容。根據(jù)健康診斷系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)將進行橋梁承載能力、剩余壽命以及橋梁狀態(tài)三部分內(nèi)容的分析，并給出評估結(jié)果，為橋梁的日常管理養(yǎng)護提供依據(jù)。

5 結(jié)語

大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，涉及土木工程、力學(xué)、測試技術(shù)、計算機、通信等多門學(xué)科。本文以金水溝大橋為背景，構(gòu)造了一個科學(xué)合理的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容、組成和功能。本文的研究對金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)有科學(xué)指導(dǎo)的作用，為今后同類型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

［1］繆長青，李愛群，韓曉林，等.潤揚大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略［J］.東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，35(5):780-785.

［2］宗周紅，孫建林，徐立群，等.下白石大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J］.鐵道學(xué)報，2008，30(5):65-71.

［3］繆長青，李愛群，馮兆祥，等.潤揚大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.世界橋梁，2006(3):63-66.

［4］楊雅勛.基于動力測試的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別與綜合評估理論研究［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

［5］吳小平.復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)綜合監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［6］王若林.橋梁實時在線檢測與健康監(jiān)測若干問題研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2005.

［7］巴力，賀一新，鄧志飛.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋加固施工監(jiān)控［J］.鐵道建筑，2009(1):89-92.