章玉偉，顏永逸

(1.四川省軌道交通投資有限責(zé)任公司，四川成都，610023；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都，610031)

橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，由于自然侵蝕、材料老化以及荷載的反復(fù)作用、疲勞與沖擊效應(yīng)等因素的綜合作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生損傷和抗力衰減，嚴(yán)重時(shí)還可能造成結(jié)構(gòu)破壞從而引發(fā)安全事故[1]。為把握大型橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的承載能力、安全狀態(tài)和剩余壽命，避免發(fā)生突發(fā)事故，許多國(guó)內(nèi)外重大型橋梁都建立了結(jié)合自身特點(diǎn)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2-6]。隨著現(xiàn)代化傳感、通信、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了更進(jìn)一步的提升和更廣闊的應(yīng)用[7-9]。

上承式拱橋由于其自身的跨越能力強(qiáng)、剛度大、適應(yīng)力強(qiáng)，在西南山區(qū)的鐵路系統(tǒng)中大量應(yīng)用。本文背景工程為某主跨340 m的上承式鐵路拱橋，主拱采用鋼桁勁性骨架外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大橋全長(zhǎng)687.8 m。引橋及拱上孔跨布置為：2-65 m T構(gòu)+(3-29.60+28.80)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+(28.8+2×29.6+28.8)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+(28.8+3-29.60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+(44+72+44)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。由于大橋?yàn)椴捎脛判怨羌苁┕しǖ拇罂缍蠕摻罨炷凉皹颍朔N施工方法工序繁雜，結(jié)構(gòu)體系需要發(fā)生多次轉(zhuǎn)換。此外，同一斷面結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度是逐步形成的，也使得大橋后期的收縮徐變變形變得非常復(fù)雜，因此，本文以該大橋?yàn)楸尘?，探討了上承式拱橋結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，可供同類工程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

1 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析是十分必要的。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力以及自振特性等進(jìn)行分析，可以確定和優(yōu)化后續(xù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置方案。因此，本橋通過(guò)有限元模擬分析得到的部分計(jì)算結(jié)果如下。

1.1 部分靜力計(jì)算結(jié)果

由表1可知，成橋時(shí)，主力+附加力工況下鋼管應(yīng)力最大值為325 MPa，管內(nèi)混凝土最大應(yīng)力為24.4 MPa，拱圈混凝土最大壓應(yīng)力15.0 MPa，出現(xiàn)在拱腳底板附近，最小壓應(yīng)力為2.7 MPa，出現(xiàn)在拱腳頂板附近。

由表2可知，在ZK豎向靜活載作用下，主跨跨中最大豎向位移為29.1 mm，1/4跨附近最大豎向位移為36.8 mm；在0.63倍ZK活載+溫度組合作用下1/2主拱圈撓度為90.9 mm，1/4主拱圈撓度為80.3 mm。

表1 成橋時(shí)拱圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

表2 列車活載與溫度荷載組合作用下主梁豎向撓度值 mm

1.2 部分動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

成橋狀態(tài)自振特性見(jiàn)表3。

表3 成橋狀態(tài)自振特性結(jié)果

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

為使大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為一個(gè)功能強(qiáng)大，滿足橋梁養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營(yíng)的需要，同時(shí)又具經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，遵循如下設(shè)計(jì)原則：

(1)遵循簡(jiǎn)潔、實(shí)用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的指導(dǎo)思想。

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析的結(jié)果及養(yǎng)護(hù)管理的需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。

(3)監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)安全性密切相關(guān)內(nèi)容，主要監(jiān)測(cè)一些有代表性的構(gòu)件、必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要結(jié)構(gòu)以及日常養(yǎng)護(hù)無(wú)法檢查或檢查非常困難的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

(4)從動(dòng)力、靜力對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，力求用最少的傳感器和數(shù)據(jù)量完成工作。

(5)以結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)為主，以應(yīng)力、模態(tài)分析為輔助。

(6)系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合該橋的技術(shù)難點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，該大橋健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有四個(gè)方面：

2.2.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)包括風(fēng)荷載、空氣溫度與相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。風(fēng)荷載是橋梁的重要荷載源，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的影響不容忽略。溫濕度荷載也是橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的主要荷載源，環(huán)境溫度作用可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，同時(shí)濕度也是影響混凝土徐變和強(qiáng)度的重要因素，改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)耐久性。

2.2.2 橋面平順性監(jiān)測(cè)

橋面平順性監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)方面：

(1)豎向變形監(jiān)測(cè)。高速鐵路軌道平順性要求高，需要對(duì)橋面的豎向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由于拱圈徐變變形及溫度變化所引起的拱上梁豎向變形值。

(2)梁端轉(zhuǎn)角和拱上立柱傾斜監(jiān)測(cè)。拱圈在溫度變化及長(zhǎng)期徐變情況下，會(huì)產(chǎn)生較大的上抬或下?lián)献冃?，變形傳遞至拱上立柱，使得立柱發(fā)生水平和豎向位移，當(dāng)水平位移較大時(shí)，會(huì)對(duì)拱上梁和支座產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，為防止梁端轉(zhuǎn)角過(guò)大造成扣件系統(tǒng)失效，需對(duì)拱上梁梁端轉(zhuǎn)角進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.3 拱圈結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)

外包混凝土采用分環(huán)分段的方法澆筑，由于澆筑時(shí)間的不同，使得各環(huán)(面)混凝土的齡期差異大，同一截面的應(yīng)力水平隨著分環(huán)澆筑時(shí)間的不同而不同，使得收縮徐變對(duì)拱的內(nèi)力分布有影響，而拱圈的受力是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，因此需要對(duì)拱圈的受力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

任何結(jié)構(gòu)都可看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼等結(jié)構(gòu)特性參數(shù)組成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征(頻率、阻尼等)也會(huì)隨之將發(fā)生改變。因此，動(dòng)力特性改變可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化的標(biāo)志。此外，結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平的大小還直接影響高速行車的舒適性。

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初步測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。測(cè)點(diǎn)的布置說(shuō)明見(jiàn)表4。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置示意(單位：cm)

表4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置

3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由五大部分組成(圖2)。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最前端，是獲得結(jié)構(gòu)信息的關(guān)鍵。主要包括光纖光柵應(yīng)變傳感器、傾角傳感器、靜力水準(zhǔn)儀、加速度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器。這些傳感器是感知、采集、轉(zhuǎn)換和處理各種信息的必要器件，提供結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)所需的最基本、最直觀的信息，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和效果。

3.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由布置在橋梁箱梁內(nèi)和橋面上的調(diào)理設(shè)備、采集設(shè)備、采集計(jì)算機(jī)和傳感器電纜網(wǎng)絡(luò)等組成。其主要功能為：

(1)依據(jù)采集頻率要求，控制傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)信息采集。

(2)根據(jù)信號(hào)需要信號(hào)的轉(zhuǎn)換和調(diào)理。

(3)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的存儲(chǔ)和預(yù)處理。

(4)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。

結(jié)合本橋的特點(diǎn)和傳感器的布設(shè)方式，對(duì)于應(yīng)變傳感器采用光纖光柵解調(diào)儀通過(guò)光纖進(jìn)行采集控制，其他傳感器均采用自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線組網(wǎng)采集儀進(jìn)行采集，通過(guò)有線與無(wú)線的結(jié)合，有效的保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性和靈活性，并且節(jié)省了線纜布設(shè)，減少了布設(shè)線纜過(guò)程的不必要的麻煩。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸各個(gè)采集單元的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，主要由通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議組成。

3.4 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、后處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)顯示等數(shù)據(jù)管理和控制工作，此處還部署有結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估與分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算設(shè)定時(shí)段內(nèi)極值、均值、方差和變化幅值等相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，用以初步判斷數(shù)據(jù)是否異常，作為基本預(yù)警信息的輸入，初步判斷結(jié)構(gòu)是否有變化。

數(shù)據(jù)的后處理主要是對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)頻域分析、相關(guān)性分析、趨勢(shì)分析等，以便對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行把握，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，這是作為性能評(píng)估的重要依據(jù)，該過(guò)程大多為離線處理，計(jì)算資源消耗較大，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。

結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估與分析系統(tǒng)是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要以分析結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)損傷為目標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)分為在線評(píng)估和離線評(píng)估兩部分，在線評(píng)估主要依據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)分析，設(shè)定合理的監(jiān)測(cè)預(yù)警值，在結(jié)構(gòu)發(fā)生異常時(shí)，給出有效的警報(bào)。通過(guò)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分析，利用層次分析法建立評(píng)價(jià)體系，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)設(shè)置指標(biāo)權(quán)重，全面綜合的得到橋梁的健康狀態(tài)。離線評(píng)估是對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高階分析，通過(guò)基于模型和基于數(shù)據(jù)的方法，綜合分析和確定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)將產(chǎn)生季度評(píng)估報(bào)告、年度評(píng)估報(bào)告和突發(fā)事件評(píng)估報(bào)告，以對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進(jìn)行定性或定量的評(píng)估。

3.5 輔助支持系統(tǒng)。

由橋梁外場(chǎng)及監(jiān)控中心輔助上述系統(tǒng)正常運(yùn)行的設(shè)備組成，包括外場(chǎng)機(jī)柜、外場(chǎng)機(jī)箱、配電及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電源監(jiān)控等子系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某上承式鐵路拱橋?yàn)槔鶕?jù)大橋的特點(diǎn)，結(jié)合養(yǎng)護(hù)與管理的需求，設(shè)計(jì)了符合該橋自身特點(diǎn)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容合理，架構(gòu)科學(xué)，針對(duì)性強(qiáng)，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的響應(yīng)，分析和評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，能夠幫助運(yùn)營(yíng)部門分析和控制大橋的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高管養(yǎng)的水平和效率，可供國(guó)內(nèi)同類型的工程參考。