卓之彪，李祥東

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

1 橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

繁華大道跨南淝河斜拉橋位于合肥市繁華大道，往東至肥東縣，向西接壤合肥市。橋長(zhǎng)764.5 m，橋?qū)?0.5 m，橋梁索塔為“H”型。該橋的主橋跨徑分別為160 m和120 m兩跨，主塔柱自橋面以上高91 m，是目前合肥市單跨跨度最大、寬度最寬的橋梁。

根據(jù)《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50982—2014)(住建部)/《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037—2016)(交通部)，對(duì)于現(xiàn)役橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及其數(shù)量如表1所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)模塊、基準(zhǔn)站模塊、數(shù)據(jù)中心模塊(云平臺(tái))，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、自動(dòng)預(yù)警等功能[1]。

(1)監(jiān)測(cè)模塊主要由嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備兩部分組成。其中嵌入式系統(tǒng)軟件主要作用是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸?shù)?，硬件設(shè)備的組成為監(jiān)測(cè)芯片、信號(hào)接收器等[2]。

(2)基準(zhǔn)站模塊?；鶞?zhǔn)站一般建立在視線良好的已知點(diǎn)上，為了便于觀測(cè)，將其作為一個(gè)永久性的固定參考點(diǎn)。

(3)數(shù)據(jù)中心模塊主要是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)和分析平臺(tái)，數(shù)據(jù)中心模塊的核心是處理海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)方案

主橋主梁為鋼筋混凝土箱梁。為了便于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，將主橋的跨徑分為主橋左跨和主橋右跨，依次從左到右將橋墩編號(hào)為1#、2#和3#。橋梁測(cè)點(diǎn)總布置如圖1所示。圖中尺寸單位為mm。

圖1 主橋測(cè)點(diǎn)總布置立面圖

2.1 主橋撓度、支座位移、傾角的監(jiān)測(cè)

(1)在主橋左跨的1/2、3/4、4/4斷面處以及主橋右跨的1/2、1/4、3/4、4/4斷面處設(shè)置主橋撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。用于監(jiān)測(cè)撓度的靜力水準(zhǔn)儀共計(jì)12個(gè)，安裝時(shí)盡量保持在同一水準(zhǔn)面上且安裝在箱梁的內(nèi)部。

(2)在主橋最左側(cè)支座頂部和主橋最右側(cè)支座頂部設(shè)置支座位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，支座位移傳感器共計(jì)4個(gè)。

(3)距主橋橋塔頂端3 m處設(shè)置傾角傳感器，其中橋塔的一側(cè)有橫向和縱向兩個(gè)傾角傳感器，橋塔為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，共計(jì)4個(gè)傾角傳感器。

2.2 主橋主梁應(yīng)變和橋塔應(yīng)變的監(jiān)測(cè)

(1)主橋主梁應(yīng)變的監(jiān)測(cè)

主梁應(yīng)力、應(yīng)變變化由自重荷載、車(chē)輛荷載和斜拉索索力以及溫度的變化、混凝土的收縮徐變等多方面的因素決定[3]。通過(guò)監(jiān)測(cè)主梁各部位的內(nèi)力變化，分析主梁各部位在荷載作用下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估、疲勞損傷評(píng)估及結(jié)構(gòu)損傷是監(jiān)測(cè)主梁應(yīng)力的主要內(nèi)容[4]。應(yīng)力傳感器布置于主橋左跨1/2、主橋右跨1/2以及主橋2號(hào)橋墩處箱梁兩側(cè)，共計(jì)24個(gè)。

(2)橋塔應(yīng)變的監(jiān)測(cè)

橋塔產(chǎn)生巨大的附加彎矩的原因是橋塔荷載不對(duì)稱(chēng)，因此對(duì)橋塔截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)是必不可少的[5]。

橋塔應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面位于橋塔橫梁頂面上部3 m的橋塔左右兩側(cè)各一個(gè)，對(duì)稱(chēng)橋塔上應(yīng)力傳感器共計(jì)8個(gè)。

綜上統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力傳感器共計(jì)32個(gè)，其中主橋主梁應(yīng)力傳感器24個(gè)，橋塔應(yīng)力傳感器8個(gè)。

2.3 主橋溫度和風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測(cè)

(1)溫度的影響。溫度的改變會(huì)使得斜拉橋的兩種主要材料混凝土和鋼材的收縮膨脹不同步，差異較大[6]。因此，對(duì)主橋溫度進(jìn)行測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)。溫度傳感器布置于主橋左跨1/2處和主橋右跨1/2處，共計(jì)20個(gè)。

(2)風(fēng)速風(fēng)向的影響。風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在主梁上，主橋主梁右跨的1/2處，共計(jì)1個(gè)。

2.4 主橋加速度的監(jiān)測(cè)

通過(guò)動(dòng)力加速度監(jiān)測(cè)，可以有效判斷大橋在地震和風(fēng)震作用下的狀況[7]。于主橋左跨1/2處、主橋右跨1/4、1/2、3/4處和距離橋塔右側(cè)水平4 m處、距離橋塔頂面豎直1 m處布置加速度傳感器，共計(jì)17個(gè)。橋塔加速度傳感器安裝在橋塔內(nèi)部，箱梁加速度傳感器安裝在橋面板上表面(拉索區(qū))。

2.5 索力的監(jiān)測(cè)

拉索作為斜拉橋上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件，對(duì)索力的健康監(jiān)測(cè)是必不可少的[8]。該斜拉橋橋塔共計(jì)96根斜拉索，分別是橋塔北邊半幅48根斜拉索和橋塔南邊半幅48根斜拉索。對(duì)每一根斜拉索進(jìn)行編號(hào)監(jiān)測(cè)，從橋塔向兩側(cè)開(kāi)始編號(hào)。例如橋塔北邊半幅48根斜拉索，向西側(cè)往合肥方向編號(hào)依次為1#西北、2#西北、3#西北......24#西北。同理，另一側(cè)向東側(cè)往肥東方向編號(hào)依次為1#東北、2#東北、3#東北......24#東北：而橋塔南邊半幅48根斜拉索以此類(lèi)推編號(hào)為1#西南、2#西南......24#西南，1#東南、2#東南......24#東南。

3 數(shù)據(jù)的采集、傳輸及預(yù)警

現(xiàn)場(chǎng)所采集的所有數(shù)據(jù)均采用無(wú)線方式進(jìn)行傳輸，通過(guò)GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行傳輸[9]，方便快捷。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系技術(shù)預(yù)警的目的是及時(shí)報(bào)告結(jié)構(gòu)中潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，在危險(xiǎn)事故發(fā)生前進(jìn)行提醒與預(yù)警?；谶@一基本思想，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警體系應(yīng)滿(mǎn)足以下3個(gè)特點(diǎn)：

(1)及時(shí)性。健康監(jiān)測(cè)預(yù)警最重要的作用就是在危險(xiǎn)事故發(fā)生前進(jìn)行預(yù)先提醒，以避免嚴(yán)重安全事故的發(fā)生。因此對(duì)于健康監(jiān)測(cè)預(yù)警而言，“事后諸葛亮”是毫無(wú)意義的，必須以健康監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)采集的各類(lèi)指標(biāo)響應(yīng)監(jiān)測(cè)值為依據(jù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)及危險(xiǎn)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警，向有關(guān)部門(mén)報(bào)告緊急情況，在最大程度上降低安全事故所造成的損失。

(2)準(zhǔn)確性。有效的預(yù)警能夠降低危險(xiǎn)事故造成的損失，并為有關(guān)部門(mén)后續(xù)的加固、維修和養(yǎng)護(hù)工作提供有價(jià)值的參考。因此，一個(gè)合理有效的橋梁健康監(jiān)測(cè)預(yù)警必須采用一定方法識(shí)別不影響結(jié)構(gòu)安全的數(shù)據(jù)失真、外部因素影響等誤報(bào)警情況，同時(shí)也必須對(duì)結(jié)構(gòu)中潛在風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化有較高的靈敏性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效的結(jié)構(gòu)預(yù)警。

(3)自動(dòng)性。由于橋梁結(jié)構(gòu)體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置于其上的傳感器種類(lèi)和數(shù)量繁多，每時(shí)每刻均會(huì)采集并儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)。若預(yù)警技術(shù)的自動(dòng)化程度不高，單純依靠人工識(shí)別是無(wú)法達(dá)到及時(shí)預(yù)警的要求的。因此，橋梁健康監(jiān)測(cè)預(yù)警必須具備自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，并自動(dòng)預(yù)警的功能。

4 數(shù)據(jù)的處理及結(jié)論

在通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，對(duì)各傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理是必不可少的，數(shù)據(jù)的處理結(jié)果直接反映出橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，對(duì)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)以及后期的維修養(yǎng)護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

以2019年5月16日凌晨3∶00至3∶15之間行車(chē)數(shù)量較少的15 min時(shí)間段內(nèi)左跨跨中加速度傳感器Az2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。加速度時(shí)程記錄數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 左跨跨中測(cè)點(diǎn)Az2加速度的時(shí)程記錄

將圖表中的數(shù)據(jù)與橋梁上下橋段處的監(jiān)控相結(jié)合分析，可以推斷出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，橋梁主梁的豎向加速度明顯呈現(xiàn)出非平穩(wěn)的狀態(tài)。

(2)豎向加速度值的大小與通過(guò)橋梁的車(chē)輛重量有密切的關(guān)系。

(3)當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)一定閾值時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警警示，進(jìn)而結(jié)合監(jiān)控進(jìn)行車(chē)輛超重超速抓拍。

5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要功能[2]：

(1)遠(yuǎn)程控制硬件。為了遠(yuǎn)程調(diào)整測(cè)試參數(shù)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與硬件設(shè)備相結(jié)合，傳統(tǒng)儀器及系統(tǒng)的介入是為了避免參數(shù)的紊亂。

(2)控制數(shù)據(jù)采集方式。為了滿(mǎn)足不同需求及狀況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、定時(shí)采集、特殊狀況采集等自動(dòng)采集方式，也可進(jìn)行人工干預(yù)控制采集。

(3)數(shù)據(jù)分析功能。主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，其中包括結(jié)構(gòu)參數(shù)的識(shí)別、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)構(gòu)的健康評(píng)估等功能。

(4)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警時(shí)結(jié)構(gòu)存在安全隱患，報(bào)警的形式有實(shí)時(shí)界面提示、報(bào)表等。

6 結(jié) 語(yǔ)

斜拉橋作為現(xiàn)代社會(huì)交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為重要。隨著越來(lái)越多大跨度的斜拉橋涌現(xiàn)，隨之而來(lái)的是由于養(yǎng)護(hù)工作不到位、行駛車(chē)輛超載等原因而導(dǎo)致的橋梁事故和結(jié)構(gòu)損傷。因此，有必要借助健康監(jiān)測(cè)技術(shù)采集的海量數(shù)據(jù)，利用合理的預(yù)警及安全評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)橋梁安全事故進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，并為養(yǎng)護(hù)工作提供參考依據(jù)[10]。