黃 樺

福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000

1 前言

某鋼拱塔斜拉橋長(zhǎng)453.0m，主橋采用鋼拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為50+60+110+110+60+50m。全橋橋面連續(xù)，在兩側(cè)橋臺(tái)設(shè)置伸縮縫。主梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，鋼拱塔采用鋼混結(jié)合過度的方式與混凝土拱座相連并固結(jié)與拱座。在對(duì)該橋梁進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)該橋梁伸縮縫局部卡死、箱梁頂板底面和腹板存在大量裂縫、支座組件銹蝕、支座往東偏位等問題。為全面掌握該橋當(dāng)前的受力狀態(tài)及現(xiàn)有病害的發(fā)展情況，以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可控、不可逆的嚴(yán)重?fù)p傷，需要在該橋上安裝一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷觀測(cè)［1-2］。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備中，動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、振動(dòng)傳感器和傾角計(jì)經(jīng)信號(hào)線連接到控制器之后與動(dòng)態(tài)稱重傳感器采集到的壓電信號(hào)和監(jiān)控?cái)z像頭均通過通過線纜傳輸?shù)綑C(jī)箱網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)器，后續(xù)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、管理、處理及分析等工作均在云平臺(tái)上完成。

3 有限元計(jì)算與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，監(jiān)測(cè)的設(shè)置正確與否直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的有效性與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)前需要對(duì)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行詳細(xì)的分析，兼顧該橋既有病害的同時(shí)選擇受力較不利截面和變形較大截面作為本次監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注截面，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果詳見圖2,測(cè)點(diǎn)布設(shè)詳見圖3。

4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)

4.1 混凝土/鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器

圖2 設(shè)計(jì)荷載作用下的主梁彎矩包絡(luò)圖

圖3 監(jiān)測(cè)截面布置示意圖（單位：m）

混凝土主梁、鋼拱塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)，用于監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)局部受力情況，收集橋梁結(jié)構(gòu)在汽車及溫度荷載作用下的內(nèi)力變化情況，總結(jié)正常使用情況下內(nèi)力變化幅值積累健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。振弦應(yīng)變計(jì)的原理是通過測(cè)試鋼線弦的振動(dòng)的頻率來?yè)Q算鋼弦及被測(cè)結(jié)構(gòu)物的微小位移；鋼弦的振動(dòng)頻率與鋼弦松緊程度成正比，應(yīng)變計(jì)測(cè)試時(shí)固定在被測(cè)物體表面，被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)力改變時(shí)產(chǎn)生的微小變形帶動(dòng)應(yīng)變計(jì)內(nèi)的鋼弦產(chǎn)生松緊變化，進(jìn)而影響鋼弦的振動(dòng)頻率。弦式應(yīng)變計(jì)具有穩(wěn)定性能好，抗干擾能力強(qiáng)，精度高特點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)布置位置見圖4。

圖4 截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

4.2 振動(dòng)傳感器

主梁及鋼拱塔振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用振動(dòng)傳感器（加速度傳感器），通過監(jiān)測(cè)主梁的振動(dòng)幅值及振動(dòng)頻率的變化來評(píng)價(jià)橋梁動(dòng)力性能。

4.3 傾角傳感器

橋墩及拱塔變位監(jiān)測(cè)采用高精度傾角傳感器，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電器接口4～20mA。產(chǎn)品采用最新的MEMS 高工藝，內(nèi)部采用高分辨率差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器。鋼拱塔是斜拉橋的主要受力部件，拉索將橋面的豎向荷載傳遞給鋼拱塔再集中傳遞給基礎(chǔ)，塔有巨大的豎向承載能力，但抵抗水平荷載能力較弱，因此需要保證其處于穩(wěn)定的豎向狀態(tài)。鋼拱塔傾角測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖5 鋼拱塔傾角測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：m）

圖6 索力傳感器布置示意圖

4.4 索力計(jì)

斜拉索的索力監(jiān)測(cè)可選擇壓阻式加速度傳感器。壓阻式加速度傳感器具有直流響應(yīng)、分辨率高、響應(yīng)速度快、可靠性好、體積小、質(zhì)量輕、噪聲小等特點(diǎn)。考慮到傳感器必須垂直于索安裝，索力傳感器安裝時(shí)需采用定制的安裝夾具。索力采用振動(dòng)頻率法測(cè)量，加速度傳感器將索的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大后送至動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄斜拉索的振動(dòng)基頻并儲(chǔ)存，通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)程序換算斜拉索的拉力。索力傳感器布置示意圖見圖6。

5 信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)云傳輸

現(xiàn)場(chǎng)所有的傳感器通過數(shù)據(jù)線將信號(hào)匯總到數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)控制終端，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集終端具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳功能，采集終端根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5.2 數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)

數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括所有的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，如幾何變位、震動(dòng)響應(yīng)（含位移、速度、加速度）、構(gòu)件應(yīng)變（力）等；環(huán)境荷載監(jiān)測(cè)，如交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、地震及船舶撞擊荷載等；重點(diǎn)病害監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同橋梁特點(diǎn)，對(duì)一些管理部門關(guān)心的橋梁重點(diǎn)病害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的詳細(xì)記錄，以圖表形式展示。

5.3 自動(dòng)預(yù)警

可對(duì)每個(gè)傳感器設(shè)置預(yù)警閾值，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出預(yù)警，顯示實(shí)時(shí)預(yù)警信息、處理狀態(tài)等，后期可以查詢、統(tǒng)計(jì)等。監(jiān)測(cè)信息推送：保存推送的預(yù)警信息，設(shè)置何時(shí)預(yù)警、預(yù)警方式、預(yù)警對(duì)象、預(yù)警信息推送人員等，可按周/月/季/年度等統(tǒng)計(jì)預(yù)警信息，生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。

6 結(jié)語

該橋主跨為鋼拱塔斜拉橋，屬于特殊結(jié)構(gòu)的橋梁，在定期監(jiān)測(cè)中存在較多的病害，由于該橋沒有進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，病害的形成時(shí)間及近期的發(fā)展情況無法進(jìn)行溯源，無法準(zhǔn)確對(duì)病害性質(zhì)進(jìn)行判定。隨著該橋信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立，可以對(duì)該橋現(xiàn)狀病害進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，進(jìn)而可以根據(jù)病害的發(fā)展情況對(duì)病害的性質(zhì)進(jìn)行判定并進(jìn)行處理，達(dá)到對(duì)該橋進(jìn)行科學(xué)管養(yǎng)的目標(biāo)。同時(shí)根據(jù)積累的橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及該橋的病害特點(diǎn)，可以總結(jié)出該類型橋梁的病害特點(diǎn)與防治措施，可以對(duì)同一類型的橋梁的養(yǎng)護(hù)及設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而提升整個(gè)行業(yè)的鋼拱塔斜拉橋的養(yǎng)護(hù)與設(shè)計(jì)水平。