于明策，韓冰玉，鄧小軍

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206)

由于交通量和行車速度飛速提升，大型橋梁在營運初期的健康監(jiān)測成為不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它不僅可以實時監(jiān)測大橋的物理與力學(xué)狀態(tài)，還能對橋梁所處環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性進(jìn)行監(jiān)測，因而橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營與管理維護(hù)具有重要意義。

在實際工程中，由于健康監(jiān)測往往涉及到施工過程中的預(yù)埋元件，施工監(jiān)控方案不同會導(dǎo)致預(yù)埋元件的位置、規(guī)格和數(shù)量不同，因此，在施工監(jiān)控過程中往往就要考慮健康監(jiān)測系統(tǒng)的初步設(shè)計，筆者以某跨北疆鐵路斜拉橋為例，以施工監(jiān)控階段為基礎(chǔ)進(jìn)行健康監(jiān)測的設(shè)計與分析。

1 項目概況

某跨北疆鐵路斜拉橋主橋為獨塔雙索面形式，主橋跨徑為89.92+89.92 m，全長179.84 m。主橋平面位于直線上，立面位于0.42%的上坡上。結(jié)構(gòu)形式采用塔梁墩固接的剛構(gòu)體系，橋?qū)?0 m，主梁采用肋板式斷面，塔柱采用空心矩形截面，斜拉索采用扇形布置，共40根。橋面以上塔高41.709 m，為A型橋塔。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測等級

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的規(guī)模和重要性等情況，本橋為大跨度重要橋梁，其健康監(jiān)測系統(tǒng)等級為一級，需滿足以下要求：其一，監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)該全面；其二，檢測系統(tǒng)無論硬件還是軟件均需達(dá)到先進(jìn)水平；其三，監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、集成化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化程度都要高。

2.2 監(jiān)測組成

本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)所組成：傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、仿真分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和綜合評估決策系統(tǒng)，其工作流程如圖1所示。

圖1 橋梁健康監(jiān)側(cè)評估系統(tǒng)

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

通過近十年來我國斜拉橋先進(jìn)的養(yǎng)管檢測技術(shù)成果及經(jīng)驗，針對本橋結(jié)構(gòu)工程特點，綜合考慮后認(rèn)為，利用施工監(jiān)控過程中所埋設(shè)的原件及檢測設(shè)備對該橋進(jìn)行健康監(jiān)測，做到既經(jīng)濟(jì)可靠又簡單可行，并能夠滿足健康監(jiān)測的要求和精度。

3.1 斜拉索索力監(jiān)測

本橋擬采用多通道頻譜動測法與壓力環(huán)(穿心式傳感器)實時測定相結(jié)合的方法進(jìn)行索力的監(jiān)測。在施工監(jiān)控過程中，已在西南3#、東南4#以及西北5#和6#四根不同長度的斜拉索下預(yù)埋四個壓力環(huán)，如圖2所示，以便于將兩中測試方法的結(jié)果加以對比，為全橋范圍的索力動測提供修正和技術(shù)支持，同時也可索力的長期健康監(jiān)測積累原始數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。對于其他未安裝壓力環(huán)的拉索，則可通過人工定期測試進(jìn)行對比分析。

圖2 斜拉索索力測點布置示意

3.2 主梁、塔柱應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測可以測得結(jié)構(gòu)在活載、溫度等作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)損傷識別和疲勞損傷壽命評估以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估提供依據(jù)。同時還可通過應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否有損壞或存在潛在損壞的狀態(tài)。

(1)主梁應(yīng)力測點布設(shè)

健康監(jiān)測中的應(yīng)力傳感器使用施工監(jiān)控過程中已布設(shè)的傳感器，直接納入健康監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)主塔應(yīng)力測點布置

主塔應(yīng)力測試充分利用施工監(jiān)控已經(jīng)布置傳感器的斷面，即在上塔柱距離橋面約兩米的位置，應(yīng)力測試斷面布置12個應(yīng)力測點，并納入健康監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 結(jié)構(gòu)溫度分布狀態(tài)監(jiān)測

溫度變化，特別是日照溫差的變化，對于矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響是復(fù)雜的。通過對橋梁溫度場分布狀況的監(jiān)測，可為橋梁設(shè)計中溫度影響的計算分析提供原始數(shù)據(jù)。主梁和塔柱的溫度測試斷面一般與應(yīng)力測量斷面相同，且部分測點位置溫度傳感器可與應(yīng)變傳感器共用。其分布與3.2相同。

3.4 塔柱變形監(jiān)測

塔柱變形監(jiān)測主要為橫橋向、縱橋向和沉降。本橋在上塔柱頂布置一個棱鏡測點，通過建立三角控制網(wǎng)，采用全站儀定期觀測橋塔變位。

3.5 主梁撓度監(jiān)測

撓度是反映橋梁的一維垂向變形，該橋主梁撓度監(jiān)測采用定期檢測的方式，通過應(yīng)用水準(zhǔn)儀對橋梁建立的永久測點進(jìn)行定期檢測、記錄、對比與分析，來評價結(jié)構(gòu)的安全性。

永久測點沿橫橋向共布置三道測線，分別位于兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)側(cè)及橋面中心位置?？v橋向設(shè)置于左右跨跨中、四分點及支點，共計27個主梁永久變形測點，采用植入鋼錨釘?shù)姆椒ú荚O(shè)。

4 具體線路布設(shè)及通道分布說明

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了有效利用施工監(jiān)控階段布置的傳感器，實時動態(tài)掌握橋梁變形和受力狀況，采用自動無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)控制斷面?zhèn)鞲衅鞯膶崟r數(shù)據(jù)采集。通過GPRS無線系統(tǒng)，采用CMNET傳輸方式將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至控制計算機(jī)。自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成及布置如圖3所示，主要儀器設(shè)備及主要配件如表1所示。

圖3 自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置示意

表1 機(jī)箱及通道線分布

4.2 系統(tǒng)線路布置方案

為了便于將所有斷面?zhèn)鞲衅饔行нB接在一起，總線采集機(jī)箱設(shè)置于主塔位置，機(jī)箱共64個通道。通道分布和連接線纜長度如表2所示。

表2 通道分布及接線長度

4.3 導(dǎo)線線路布設(shè)及套管類型

根據(jù)表2的導(dǎo)線分組布設(shè)方案，將同一組的導(dǎo)線放置在同一套管內(nèi)，均沿護(hù)欄內(nèi)側(cè)導(dǎo)引至機(jī)箱位置。套管分為兩種，應(yīng)力線主要采用的是D55(直徑55 mm)的PVC材料的線管，每根長4 m。另一種套管是D35的PVC細(xì)管，用來盛放錨索計線，線路總長120 m。三通及彎鉤數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

5 結(jié) 論

(1)本健康監(jiān)測方案，以施工預(yù)埋傳感器和監(jiān)控測點為基礎(chǔ)，結(jié)合定期測試的方法，對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行定期評估，自動化程度高，費用低。

(2)索力、主梁和主塔應(yīng)力是斜拉橋使用階段最重要的控制參數(shù)，在資金允許的前提下，索力可考慮采用自動測試系統(tǒng)，從而使大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)更加完善。

(3)該健康監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)維護(hù)和評估期為2年，服務(wù)期滿后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)移交管理方，管養(yǎng)單位可每3年委托具有相應(yīng)檢測評估資質(zhì)的單位進(jìn)行定期安全性評估。