孟令強

（鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014）

1 引言

對橋梁結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測就是采用現(xiàn)代化的傳感傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)和狀態(tài)評估技術(shù)，利用在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位安裝的各種類型的傳感元件，監(jiān)測橋梁在運營荷載、環(huán)境因素等共同作用的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，按照事先確定的評估方法或限值要求，實時監(jiān)測、實時預(yù)警、實時評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，為橋梁的維修、養(yǎng)護及管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用最早始于上世紀末，且近些年來發(fā)展迅猛，隨著橋梁建設(shè)規(guī)模的日益增長及橋梁結(jié)構(gòu)形式的多樣化及復(fù)雜化，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外工程和學(xué)術(shù)研究的熱點。其中張相璽、陳天艷等［1-2］開展橋梁施工階段的變形與應(yīng)力監(jiān)測研究；何旭輝、蘇木標、史康、楊柏林等［3-6］建立了普通鐵路和高速鐵路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁類型包括簡支梁、斜拉橋和中承式拱橋多種類型；而李愛群、朱永、侯立群、張少錦、江祥林、鄭偉峰等［7-12］則在公路橋梁健康監(jiān)測方面進行了深入研究；所有監(jiān)測系統(tǒng)均能實現(xiàn)包括振動、應(yīng)力應(yīng)變、撓度、環(huán)境等參數(shù)的監(jiān)測。既有研究主要集中在既有鐵路和高鐵斜拉橋、懸索橋等方面，針對采用頂推拖拉施工的鋼桁梁拱橋的健康監(jiān)測還處于空白。為此，本文基于“先進維護”目的，針對京張高鐵官廳水庫特大橋8-108 m簡支鋼桁梁拱橋這一特殊結(jié)構(gòu)形式，開展健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究，準確指導(dǎo)后續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的安裝與使用，并為今后類似工程提供借鑒。

2 工程概況

官廳水庫特大橋是京張高鐵的關(guān)鍵控制工程，設(shè)計速度350 km／h，ZK活載，主橋采用8-108 m簡支拱型鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式，主桁上弦采用變高度桁式，近似拱型；單孔鋼桁梁拱橋計算跨徑108.0 m，全長109.7 m，中間桁高19.0 m，節(jié)間長10.8 m，橫橋向支座中心距為13.80 m，鋼橋面板橋面系，有砟軌道，道砟槽板厚20 cm。橋梁設(shè)計為雙線，橋梁平面位于直線上，縱斷位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，豎曲線半徑25 000 m。鋼支座，主引橋過渡墩采用分離式墩身，在兩側(cè)引橋混凝土箱梁與主橋鋼梁之間設(shè)置阻尼器。大橋施工采用頂推拖拉施工。

大橋主桁桿件及鋼橋面板采用Q370qE鋼，上平縱聯(lián)桿件及橋門架、中間橫聯(lián)桿件采用Q345qE鋼，主桁弦桿均采用箱形截面，各板件設(shè)板式加勁肋。主桁上、下弦桿節(jié)點均采用整體節(jié)點形式，四面拼接方式，桿件連接采用高強螺栓連接和焊接連接方式，均在工地現(xiàn)場完成。橫梁上緣設(shè)置2%人字坡，梁端腹板高為1 500 mm，均采用倒T型截面，端支點處設(shè)置端支點橫梁，其他節(jié)點處設(shè)節(jié)點橫梁。鋼桁梁聯(lián)結(jié)系由橋門架、平聯(lián)和交叉形上平縱聯(lián)共同構(gòu)成。圖1為建設(shè)中的大橋?qū)嵕啊?/p>

圖1 建設(shè)中的大橋?qū)嵕?/p>

作為我國第一座采用頂推拖拉施工的高速鐵路大跨度鋼桁梁拱橋，京張鐵路官廳水庫特大橋具有典型特點，主要包括：（1）全新結(jié)構(gòu)，超大跨度鋼桁梁拱橋、近似拱形結(jié)構(gòu)、超大荷載，受力情況復(fù)雜；（2）全新工藝，頂推拖拉施工、現(xiàn)場拼裝與防護；（3）復(fù)雜環(huán)境，地震效應(yīng)大、溫度多變、風(fēng)力作用明顯、潮濕易腐蝕。官廳水庫特大橋的關(guān)鍵地位和典型結(jié)構(gòu)特點決定了大橋建成后的養(yǎng)護管理面臨巨大挑戰(zhàn)，大橋在運營過程中，在荷載持續(xù)作用、環(huán)境侵蝕、疲勞效應(yīng)和其他各種因素耦合作用下不可避免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)累計損傷和承載能力下降，為確保結(jié)構(gòu)安全和實時掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài)，針對大橋建立長期健康監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

3 監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架

3.1 設(shè)計原則

大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個集檢測技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和評估技術(shù)等于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)采用各種先進技術(shù)和手段對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行實時監(jiān)測與實時評估，以達到保障安全的目的。我國目前已經(jīng)建立了大量的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，既有系統(tǒng)多數(shù)以保障結(jié)構(gòu)安全和運營安全為主要目的，而京張高鐵是我國修建的第一條綠色智能高鐵，在進行大橋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時必須要依據(jù)必要、可靠、先進與經(jīng)濟相結(jié)合的原則。

必要性是指系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容必須能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)承載能力和使用條件變化，滿足列車安全運營需求，同時還需兼顧日常維管需求；可靠性是指監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備必須精確可靠、抗干擾能力強、耐久性好，具有長期的可靠性和穩(wěn)定性，同時軟件系統(tǒng)需滿足易于操作使用和易擴展等功能要求；先進性是指監(jiān)測系統(tǒng)需利用先進的傳感傳輸技術(shù)、信息處理與統(tǒng)計技術(shù)；經(jīng)濟性是指在滿足監(jiān)測要求的前提下，盡可能降低成本。

3.2 總體構(gòu)架

官廳水庫特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)值仿真技術(shù)、傳感傳輸技術(shù)、信息通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和統(tǒng)計分析技術(shù)綜合為一體，共同構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架。大橋監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及分析子系統(tǒng)和狀態(tài)評估子系統(tǒng)。硬件設(shè)備主要為各種類型傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸及存儲設(shè)備、服務(wù)器等。圖2為監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架

4 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

4.1 監(jiān)測內(nèi)容

官廳水庫特大橋為鋼桁梁拱橋結(jié)構(gòu)形式，影響結(jié)構(gòu)安全和運營安全的結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性是重點監(jiān)測內(nèi)容，且鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題是大橋的主要損傷模式，而多變的環(huán)境條件對結(jié)構(gòu)的影響也不容忽視，因此，基于以上特點，確定大橋的監(jiān)測內(nèi)容為：（1）環(huán)境變量，風(fēng)及溫濕度變化；（2）力學(xué)性能，應(yīng)力、撓度、疲勞等；（3）使用條件，振幅、加速度、振型、阻尼等。

4.2 監(jiān)測方法

（1）應(yīng)力及溫度、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

采用表面黏貼式應(yīng)變傳感器進行監(jiān)測，安裝在桿件表面，采樣頻率為100.0 Hz，采集方式為觸發(fā)采樣，由列車信息和關(guān)鍵參數(shù)雙重觸發(fā)。采用JMWS-1D溫濕度傳感器對溫濕度測點的溫度變化情況進行實時監(jiān)測，采用JMZX-1I風(fēng)速風(fēng)向采集儀對橋址處的風(fēng)速風(fēng)向變化情況進行實時監(jiān)測。根據(jù)季節(jié)變化，每天選擇溫度最低的時間和溫度最高的時間（例如早晨太陽升起前1 h和下午14：00～15：00之間）觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測與溫度相關(guān)的物理量的變化情況，采樣時間持續(xù)200 s；同時監(jiān)測環(huán)境濕度。

將鋼梁 E5A5、E4′A5、E3′A3′、E2′A3′、E5E4′、E3′E2′桿件作為橋梁應(yīng)力（溫度）控制桿件，分別對各個桿件應(yīng)力（溫度）進行監(jiān)測，E5A5、E4′A5、E3′A3′、E2′A3′、E5E4′、E3′E2′桿件各布置 4個傳感器。橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測是通過對應(yīng)變監(jiān)測間接實現(xiàn)，主要監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的受力情況，以了解結(jié)構(gòu)的長期或瞬態(tài)的受力情況。應(yīng)力（應(yīng)變）測點左右幅對稱布置，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力（溫度）測點布置

監(jiān)測結(jié)果需繪出各測點溫度隨時間的變化曲線，并給出最高溫度和最低溫度時對應(yīng)的被測響應(yīng)量的最大值和最小值。記錄相對濕度大于60%情況的延續(xù)時間及其隨季節(jié)的變化規(guī)律。對于應(yīng)力測點，每24 h作一次數(shù)據(jù)分析，找出每次采樣過程中各測點的最大應(yīng)變值及其發(fā)生的時間，繪出其應(yīng)力時程曲線，找出并記錄各曲線中的最大值，統(tǒng)計出各曲線中不同應(yīng)力幅值所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，并間接給出列車軸重的變化規(guī)律，每月對這些測點統(tǒng)計出“應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)”直方圖，每半年作出這些測點的應(yīng)力譜。

（2）撓度監(jiān)測

采用連通管監(jiān)測主桁豎向撓度；采樣頻率為20.0 Hz，撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)采集由列車到達和溫度監(jiān)測結(jié)果自動觸發(fā)。如果某測點撓度超限，將及時發(fā)出報警信息。測點布設(shè)在下弦桿E5節(jié)點處，基準點布設(shè)在墩頂位置。測點、基準點左右幅對稱布置，如圖4所示。

在進行數(shù)據(jù)分析時，每天完成一次完整的數(shù)據(jù)分析，主要包括各測點撓度曲線的極值等特征值統(tǒng)計分析，并根據(jù)各撓度數(shù)據(jù)計算出各關(guān)鍵截面的扭轉(zhuǎn)變化和動撓度動力系數(shù)。后臺程序中通過各特征值判斷是否保存對應(yīng)的時程曲線，需要保存的時程曲線同時給出相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)和荷載情況，不保存數(shù)據(jù)直接刪除。

圖4 撓度測點布置

（3）振動監(jiān)測

采用JMCZ-2091加速度傳感器進行實時監(jiān)測。采樣頻率為100.0 Hz，采集方式為觸發(fā)采樣，由列車信息和關(guān)鍵參數(shù)雙重觸發(fā)。如果某測點的振動位移幅值超過限值，將及時發(fā)出報警信息。在具體布置時，豎向振動位移測點為左右幅下弦E2、E5、E2′節(jié)點各1個；橫向振動位移測點為左幅下弦E2、E5、E2′節(jié)點各 1個，右幅上弦 A2、A5、A2′節(jié)點各1個。橫、豎向振動測點合計12個，如圖5所示。橫向和豎向加速度測點布設(shè)在鋼桁梁橋下弦桿E5節(jié)點處，左右對稱布置，共布設(shè)4個測點。

圖5 振動測點布置

與撓度數(shù)據(jù)一致，同樣每天完成一次完整的數(shù)據(jù)分析，主要包括各振動時程曲線的極值、阻尼比、自振頻率等特征值，根據(jù)特征值大小判斷是否保存對應(yīng)測試結(jié)果，對應(yīng)保存相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)和荷載情況。另外，每天固定時間采集一次橋上無車時橋梁振動情況，分析得到相應(yīng)的橋梁自振特性參數(shù)，并將當(dāng)天的結(jié)果與前一天的分析結(jié)果進行比較，如果兩組結(jié)果差別較大，或當(dāng)超過設(shè)計規(guī)范要求時，應(yīng)發(fā)出預(yù)警預(yù)報信息。

4.3 數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場數(shù)采系統(tǒng)采用先進的自動化無線采集系統(tǒng)，由信號調(diào)理放大設(shè)備、采集模塊、網(wǎng)絡(luò)采集儀、無線發(fā)射模塊、軟件系統(tǒng)及各相關(guān)配件共同組成?，F(xiàn)場的采集模塊（MCU）由可配接弦式傳感器、電感調(diào)頻類傳感器、總線型傳感器構(gòu)成，系統(tǒng)采用全密封設(shè)計，防水防潮、防雷擊，其分布式結(jié)構(gòu)可任意組成8～2 000點的測量系統(tǒng)。數(shù)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)管理采用C／S結(jié)構(gòu)和B／S結(jié)構(gòu)相互結(jié)合的方式進行，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)采系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)的網(wǎng)上發(fā)布，特別是波形數(shù)據(jù)的遠程實時瀏覽、顯示和處理，方便遠程用戶進行數(shù)據(jù)分析、查詢。

4.4 狀態(tài)評估

建立監(jiān)測系統(tǒng)的最終目的就是對大橋狀態(tài)進行評估，因此，在進行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，需要在完成各種響應(yīng)參量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上對橋梁病害、損傷情況和結(jié)構(gòu)整體性能進行評估。健康狀態(tài)評估包括以下方面：

（1）建立分級預(yù)警機制：系統(tǒng)采用提醒、警告和報警三級預(yù)警制度，當(dāng)監(jiān)測到各響應(yīng)量的數(shù)值均在通常值范圍內(nèi)，表示結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)正常；當(dāng)監(jiān)測到某響應(yīng)量的數(shù)值大于通常值，但尚未超過規(guī)范允許的限值，系統(tǒng)發(fā)出提醒信息；當(dāng)監(jiān)測到某響應(yīng)量已超出規(guī)范允許的限值，但尚不能肯定是否危及運營安全，系統(tǒng)發(fā)出警告信息。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)各種被測響應(yīng)量隨時間變化的趨勢分析：根據(jù)長期健康監(jiān)測數(shù)采結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)的各種被測響應(yīng)量，以時間作為橫坐標，響應(yīng)量數(shù)值為縱坐標，采用統(tǒng)計分析的方法可得到各種被測響應(yīng)量隨時間變化的趨勢圖。通過此趨勢圖可以了解到結(jié)構(gòu)性能的變化狀況，并且在一定程度上預(yù)測病害損傷發(fā)生、發(fā)展的趨勢。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估與病害損傷預(yù)測：首先，根據(jù)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范和仿真分析結(jié)果，科學(xué)評估橋梁現(xiàn)有狀態(tài)，為后續(xù)養(yǎng)護維修提供幫助。其次，深入分析研究結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時間、環(huán)境和荷載等變化而變化的規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律分別建立橋梁病害損傷診斷和橋梁健康狀態(tài)評估的預(yù)測分析模型，輸入預(yù)期的環(huán)境及荷載的變化量，預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)遠期狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文針對京張高鐵官廳水庫特大橋開展了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究，主要結(jié)論如下：

（1）大橋監(jiān)測系統(tǒng)由傳感傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及分析子系統(tǒng)和狀態(tài)評估子系統(tǒng)四部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)包括應(yīng)力、撓度、振幅、加速度、風(fēng)力、溫度等多項參數(shù)的實時監(jiān)測、實時處理和實時預(yù)警，并對結(jié)構(gòu)健康狀況進行科學(xué)評估。

（2）相比較常規(guī)大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，官廳水庫特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)具有體量小、針對性強、技術(shù)先進等優(yōu)點，并且系統(tǒng)融合了云計算、無線傳輸和大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)于一體，最大程度解決了高速鐵路橋梁監(jiān)測中存在的人為干涉過多和存儲空間不足問題，為今后類似工程監(jiān)測提供了新的途徑。