謝 巍

(安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

G105線南照淮河公路大橋位于105國道968K+909處,是105國道跨越淮河的一座重要橋梁,主跨為65m+98m+65m單箱雙室波紋鋼腹板連續(xù)梁橋,橋面全寬20.5m,全橋總長2328m。

1 系統(tǒng)需求及整體框架

橋梁管理的目的在于保證結(jié)構(gòu)的可靠性,主要指結(jié)構(gòu)的承載能力、運營狀態(tài)和耐久性能等,以滿足預(yù)定的功能要求。橋梁的健康狀況主要通過利用收集到的特定信息來加以評估,并作出相應(yīng)的工程決策,實施保養(yǎng)、維修與加固工作。針對上述特點,我們擬在南照淮河公路大橋建立一個長期的在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),對主橋主梁的應(yīng)變、溫度、撓度和振動,以及橋面狀況、車載對橋影響進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和視訊觀測及時預(yù)警。

2 系統(tǒng)構(gòu)建方案

2.1 傳感器子系統(tǒng)

圍繞上述分析獲得的健康監(jiān)測基本內(nèi)容,依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,在滿足可靠性、可維護(hù)性、可擴展性、經(jīng)濟性等要求的基礎(chǔ)上,合理選擇傳感器建立傳感器子系統(tǒng)。

2.1.1 應(yīng)力及結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測

主橋上部結(jié)構(gòu),應(yīng)力測點主要布置在主跨的1/2截面、主墩墩頂、邊跨1/2截面、腹板剪應(yīng)力截面(中跨距墩頂14m處),全橋共布置6個應(yīng)力測試截面。墩頂截面測點布置在箱內(nèi)頂板每個箱室兩個測點單個截面4個測點；跨中截面測點布置在每個箱室內(nèi)頂板與底板各2個測點單個截面8個測點；剪應(yīng)力截面測點布置為每個箱室內(nèi)頂板與底板各1個測點,每個腹板中部布置1個應(yīng)變花,單個截面共4個應(yīng)變測點3個應(yīng)變花。采用光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行布設(shè)。

溫度對鋼-混組合結(jié)構(gòu)材料溫度性能的差異及其結(jié)構(gòu)形式本身造成溫度影響相較鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)更為巨大,結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測測點布置同應(yīng)力測點布置,溫度傳感器可根據(jù)需要與應(yīng)變傳感器進(jìn)行功能耦合或單獨布置。

2.1.2 撓度監(jiān)測

橋梁恒載作用下箱梁的軸線和橋塔位置是橋梁整體安全狀態(tài)的重要標(biāo)志?；钶d作用下主梁的撓度是評價主橋使用功能和安全性的重要指標(biāo)之一是橋梁整體剛度的重要標(biāo)志。通過對橋梁基礎(chǔ)沉降變形監(jiān)測和箱梁撓度的監(jiān)測河以從整體上把握橋梁運營安全狀態(tài)。本橋擬設(shè)置4個測試截面,以主橋伸縮縫位置截面為0號基準(zhǔn)截面,1、2、3號分別為主橋各跨跨中處,每個截面在箱室內(nèi)橫橋向布置2個壓差計。同一個截面的壓差計通過計算,換算出橋面的傾斜和變形量值。

2.1.3 伸縮縫縱向位移監(jiān)測

主橋分別測試兩端伸縮縫縱向位移,每道伸縮縫對稱布置2個頂桿式傳感器,主布置4個頂桿式傳感器。

2.1.4 環(huán)境監(jiān)測

主橋橫跨淮河,橋址處環(huán)境情況復(fù)雜變異性大,風(fēng)荷載與溫度荷載對自重較輕的鋼混組合結(jié)構(gòu)來說是不可忽略的。本橋擬采用氣象數(shù)據(jù)采集儀對橋址大氣溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

2.1.5 體外預(yù)應(yīng)力監(jiān)測

體外索是本橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位,擬在主橋選擇一根體外索進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,結(jié)合施工監(jiān)控測點布置,體外預(yù)應(yīng)力長期監(jiān)測采用壓力環(huán)。

2.1.6 主墩傾斜度監(jiān)測

考慮到主橋橋墩的實際情況,選擇主橋9#橋墩采用傾斜儀對橋墩傾斜度進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 電子化監(jiān)測子系統(tǒng)

橋梁的結(jié)構(gòu)健康與車輛荷載的大小直接相關(guān),重車經(jīng)過必然伴隨著巨大的變形和扭轉(zhuǎn),為了后期數(shù)據(jù)分析的針對性,擬在橋上布設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng),以掌握重車經(jīng)過的時間和頻度。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

光纖光柵信號處理系統(tǒng)是本監(jiān)測系統(tǒng)中的核心設(shè)備,也是光學(xué)探測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件。光接口模塊根據(jù)工程可以靈活配置通道數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)由硬件及軟件兩個組成部分。硬件由1臺計算機數(shù)據(jù)服務(wù)器和計算機工作站組成?？筛鶕?jù)不同監(jiān)測參數(shù)的特點,采用不同的的采集方式。

2.5 評估系統(tǒng)

綜合評估系統(tǒng)的功能將通過軟件實現(xiàn),并結(jié)合硬件系統(tǒng)的特性進(jìn)行更新和調(diào)試。軟件系統(tǒng)應(yīng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、橋梁健康預(yù)報與診斷和多用戶服務(wù)系統(tǒng)于一體。

2.5.1 監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警模塊

本監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)不同的物理量設(shè)置不同的預(yù)警閾值,采用二級預(yù)警機制：初級預(yù)警,二級預(yù)警。

(1)初級預(yù)警(局部預(yù)警)。在各個傳感器工作站設(shè)有參數(shù)超值報警功能。當(dāng)單一傳感器的輸出超出警戒線后立即進(jìn)行超值預(yù)警判斷并向系統(tǒng)監(jiān)控總站發(fā)出數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸和處理申請。系統(tǒng)監(jiān)控總站進(jìn)入系統(tǒng)的預(yù)警處理程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

(2)二級預(yù)警(結(jié)構(gòu)預(yù)警)。在一段時間間隔內(nèi)有兩個或者兩個以上的監(jiān)控截面發(fā)出初級預(yù)警警報,二級預(yù)警程序啟動。二級預(yù)警根據(jù)傳感器的類型、截面類型、以及所在的結(jié)構(gòu)狀況作出二級預(yù)警判斷和預(yù)報。

(3)預(yù)警值設(shè)定。預(yù)警值設(shè)定一般分為紅、黃兩級,以設(shè)計值及出現(xiàn)頻次為控制依據(jù),例如當(dāng)位移或變形大于0.8倍設(shè)計值時,進(jìn)行黃色預(yù)警；大于設(shè)計值或一個月內(nèi)發(fā)現(xiàn)10次以上黃色預(yù)警時,進(jìn)行紅色預(yù)警。

2.5.2 監(jiān)測系統(tǒng)評估模塊

(1)橋梁結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)小于1時,判定結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)；否則,判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)異常。

(2)利用監(jiān)測的環(huán)境、車輛荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng),計算結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力和線形,與設(shè)計值進(jìn)行對比,滿足橋梁設(shè)計規(guī)范要求,判定結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài),否則為異常。

(3)監(jiān)測獲取的橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率與設(shè)計理論計算頻率的比值大于或等于1,判定結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài),否則為異常。

(4)當(dāng)上述任何一項判定為異常時,應(yīng)立即對橋梁進(jìn)行專項評估及相應(yīng)處理。

3 結(jié)論

本文以G105線南照淮河公路大橋為依托,針對波紋鋼腹板連續(xù)梁橋受力特點及監(jiān)測需求,對其監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案、預(yù)警及評估方式及相關(guān)注意事項進(jìn)行了詳細(xì)地分析與闡述,為類似橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)提供參考。