陳　泉，陶　華，王　超

（1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢　430023；2.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢　430023；3.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢　430068）

某特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估

陳泉1，陶華2，王超3

（1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430023；2.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430023；3.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢430068）

研究介紹了特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究成果，該系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)組成：自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控工程。通過對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度、車輛荷載、支座位移、主梁線形等進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，取得了預(yù)期的效果。最后探討了健康監(jiān)測技術(shù)需要深入探索研究的課題。

健康監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；特大橋

0　引言

隨著現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)、施工、材料技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)跨徑越來越大，越來越輕柔，同時(shí)橋梁所受荷載也越來越大，因此，橋梁的安全性、耐久性和適用性也日漸受到人們的關(guān)注和重視。為了及時(shí)準(zhǔn)確掌握大型橋梁的工作性能，確保橋梁的安全運(yùn)營，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)已成為目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的相關(guān)研究［1-5］。

然而，由于監(jiān)測技術(shù)和費(fèi)用的限制，不可能監(jiān)測結(jié)構(gòu)所有部位所有參數(shù)，另外噪音也會(huì)影響監(jiān)測結(jié)果，因此，如何設(shè)計(jì)合理的監(jiān)測系統(tǒng)，利用有限的測點(diǎn)信息對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估需要深入研究。

本文結(jié)合某特大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究介紹了某特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果，包括系統(tǒng)組成及整體架構(gòu)、測點(diǎn)的布設(shè)等。隨后通過對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估。最后探討了健康監(jiān)測技術(shù)需要深入探索研究的課題。

1　監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1工程概況

某特大橋是高速和城市環(huán)路共用橋梁，是一座“雙層剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁”，跨徑布置為112 m+208 m+112 m。大橋上層為高速公路，雙向6車道高速公路；下層為城市環(huán)路，雙向8車道城市快速路；大橋已建成通車，見圖1。

圖1　某特大橋?qū)嵕皥D

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

某特大橋作為城市主要的過江通道，雙層結(jié)構(gòu)十幾個(gè)車道，交通荷載極大，同時(shí)結(jié)構(gòu)位于江面之上，鋼主梁、吊桿、主纜等重要受力構(gòu)件均為鋼材，易受環(huán)境腐蝕。針對(duì)大橋本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合類似橋型的危險(xiǎn)性分析，大橋安全預(yù)警和管養(yǎng)決策方面的需求，研究設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)、電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控工程六大子系統(tǒng)構(gòu)成，其總體架構(gòu)見圖2。

自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、管理、可視化以及對(duì)監(jiān)測采樣的控制等工作；電子化人工巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人工巡檢信息的數(shù)字化錄入、查詢、評(píng)估與管理。滿足大橋不同時(shí)期、不同構(gòu)件、不同程度的維修和養(yǎng)護(hù)需求；綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全子系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識(shí)別，并綜合識(shí)別的結(jié)果以及巡檢結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用狀況進(jìn)行預(yù)警評(píng)估；用戶界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按需求向用戶展示，并且接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入；視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)橋梁交通狀況、突發(fā)事故和其他一切異常情況進(jìn)行安防監(jiān)控，確保實(shí)時(shí)掌握橋區(qū)范圍內(nèi)直觀的交通狀況，為管養(yǎng)單位提供全面直觀的橋梁運(yùn)營狀況監(jiān)控手段，為橋梁運(yùn)營和管養(yǎng)提供視頻記錄資料。

圖2　系統(tǒng)總體構(gòu)架

1.3系統(tǒng)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)該橋的受力特點(diǎn)、既有病害和危險(xiǎn)性分析，主要監(jiān)測內(nèi)容包括環(huán)境監(jiān)測、荷載監(jiān)測、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測和視頻監(jiān)控幾大類。環(huán)境包括風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、降雨量；荷載包括車輛荷載、地震及船撞；結(jié)構(gòu)響應(yīng)包括結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變、主梁撓度、支座位移以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。各類傳感器總共布設(shè)了338個(gè)，1/2總體測點(diǎn)布置示意見圖3。

圖3　某特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置示意圖

2　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1溫濕度監(jiān)測

環(huán)境溫濕度一方面是影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、老化的重要因素，另一方面會(huì)影響監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的工作性能。對(duì)系統(tǒng)采集的某天數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。

圖4　跨中下層橋面測點(diǎn)溫濕度曲線

從結(jié)果可見，全天結(jié)構(gòu)下層濕度范圍為51.5%～74%，對(duì)應(yīng)溫度為12.6℃～16.4℃，溫濕度日變化趨勢相反，溫度升高，濕度下降，溫度下降，濕度上升。結(jié)構(gòu)平均濕度為61.9%，因此橋位處環(huán)境濕度較大，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注結(jié)構(gòu)的防腐和傳感器的維護(hù)。

2.2溫度監(jiān)測

環(huán)境溫度通過熱傳導(dǎo)作用于橋梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成溫度場，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度次內(nèi)力的產(chǎn)生，同時(shí)材料隨溫度的脹縮也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體形變。采集的某天結(jié)構(gòu)溫度實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)各構(gòu)件溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件24 h溫度變化曲線見圖5，各構(gòu)件溫差曲線見圖6。

圖5　全天溫度曲線圖

圖6　各構(gòu)件溫差曲線圖

由圖可見，各構(gòu)件溫度在早上7點(diǎn)～9點(diǎn)左右達(dá)到最低，在下午2～3點(diǎn)達(dá)到最高，全天上下橋面溫差相差最大，溫差范圍為-1.2℃～3.4℃，上層溫度較高，主要上層橋面直接受陽光照射，下層橋面日照被擋。其他各構(gòu)件溫差較小，在-1.5℃～1℃之間變化。

2.3WIM監(jiān)測

交通流量監(jiān)測系統(tǒng)用以監(jiān)測某特大橋交通流量、行車車速、軸重等情況及其變化，為建立大橋交通荷載模型、進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估提供依據(jù)，同時(shí)可對(duì)超載超限特殊車輛作用進(jìn)行監(jiān)控統(tǒng)計(jì)。對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)采集的某天車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖7顯示了下層橋面各車道車輛數(shù)分布和24 h車輛數(shù)分布。圖8顯示了下層橋面各車道平均車重分布和24 h平均車重分布情況。

圖7　各車道車輛數(shù)分布圖和24小時(shí)車輛數(shù)分布圖

圖8　各車道平均車重分布圖和24小時(shí)平均車重分布

全天下層橋面有51 800輛車通過某特大橋，兩個(gè)最外側(cè)車道車輛數(shù)較少，2、3、6、7車道通過車輛數(shù)較多。通行車輛最多時(shí)段為上午15:00～16:00左右，通行車輛最少時(shí)段為2:00～3:00。車道2、7車重較大。表明重車基本通行于道路兩旁行車道，中間車道主要通行小型汽車。全天通行重車最多的時(shí)段為5:00～6:00。

2.4支座位移監(jiān)測

支座是橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)邊界，其工作正常與否直接關(guān)系到大橋結(jié)構(gòu)安全，而支座位移情況是支座是否正常工作的重要體現(xiàn)。圖9顯示了監(jiān)測系統(tǒng)采集的某天南邊墩支座位移實(shí)測結(jié)果。

圖9　南邊墩支座全天位移曲線

南邊墩支座全天位移曲線通暢，實(shí)測最大值為5.2 m m，未出現(xiàn)異常值，表明支座運(yùn)行正常。支座實(shí)測值可分為溫度項(xiàng)和活載項(xiàng)兩種效應(yīng)，溫度效應(yīng)為長期效應(yīng)，與鋼主梁溫度線性相關(guān)，活載項(xiàng)為短期效應(yīng)，受車載影響，將實(shí)測支座位移分解為活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)兩部分，對(duì)溫度效應(yīng)引起的支座位移與鋼主梁溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，結(jié)果見圖10。

圖10　南邊墩中間支座位移與溫度回歸曲線

南邊墩中間支座位移與主梁溫度相關(guān)系數(shù)為0.8，相關(guān)性程度較高。實(shí)測值與擬合值較好，表明支座處摩擦力較小，支座工作性能良好。鋼主梁溫度每升高1℃，南邊墩中間支座位移增大1.6 m m。

2.5主梁線形監(jiān)測

主梁撓度線形是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征的最直觀體現(xiàn)之一，同時(shí)也是影響橋梁正常使用的重要指標(biāo)。取采集的某天主梁撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主梁全天線形及最高最低線形偏差曲線見圖11（豎向虛線表示主跨橋墩及跨中位置）。

圖11　主梁全天線形及偏差曲線

由圖11可知，主梁全天線形曲線較平滑，最高線形與最低線形在主跨和邊跨跨中偏差最大，主跨跨中為0.025 m，南側(cè)邊跨跨中為0.025 m，北側(cè)邊跨跨中為0.017 m。

3　結(jié)語

結(jié)合某特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測管養(yǎng)需求，研究建立了某特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)采集的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行良好，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)大橋安全運(yùn)營的監(jiān)控。當(dāng)然，關(guān)于橋梁健康監(jiān)測還有許多問題需要進(jìn)行深入探索研究，特別是監(jiān)測系統(tǒng)自身的耐久性、結(jié)構(gòu)性能安全評(píng)估、損傷預(yù)警、以及如何對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，為橋梁的管養(yǎng)提供技術(shù)支撐等方面的研究。

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U446

B

1009-7716（2016）09-0147-04

2016-05-20

陳泉（1976-），男，湖北黃岡人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。