胡先磊

（云南路建集團欣業(yè)工程質(zhì)量檢測有限公司，云南 昆明 650200）

引言

橋梁健康監(jiān)測和管理的重要性已引起工程人員的關(guān)注，合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以延長橋梁的使用壽命并減少維修檢修費用。大跨徑橋梁，特別是纜索支撐橋梁，其檢查、維護修復費用高昂，并且經(jīng)常會帶來復雜的技術(shù)問題。測量和分析動態(tài)響應數(shù)據(jù)，臨時或常規(guī)檢查、維護和康復計劃，可及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患[1]。測量和分析結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對于提高大跨度橋梁在環(huán)境荷載和外加荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能具有重要意義[2-3]。

1 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是通過光纖網(wǎng)絡連接的基于電腦端的數(shù)據(jù)采集單元（DAU）。光纖網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)可以使用令牌環(huán)系統(tǒng)。一個數(shù)據(jù)采集單元通?？刂?4～128個高速數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量通常取決于高速數(shù)據(jù)通道的數(shù)量，而數(shù)據(jù)采集單元的位置則取決于低電阻、低靈敏度和非線性輸出特性傳感器的位置。傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和光纖網(wǎng)絡之間的連接見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布局

1.2 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、歸檔備份、顯示和操作進行全面控制?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)有定制的MATLAB、GPS軟件和MATLAB的數(shù)據(jù)分析套件。除了MATLAB數(shù)據(jù)分析套件，LABVIEW軟件將用于監(jiān)測系統(tǒng)中，因為數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的硬件基于PXI實時控制器，該控制器與LABVIEW軟件最為兼容，可用于數(shù)據(jù)采集和相關(guān)工作。所有數(shù)據(jù)處理和分析工具都必須具備推導或計算振幅域、時域、頻域和頻率計數(shù)所需函數(shù)的能力。

1.3 便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的可攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個基于電腦端的數(shù)據(jù)記錄器、二十四個便攜式雙軸伺服型加速度計、五個便攜式單軸伺服型加速度計和十六個電纜盤（每個卷筒長度為100 m）的五類UTP電纜，并配有一個定制的LABVIEW軟件系統(tǒng)，用于采集、處理、存檔、存儲和顯示。它用于測量纜索的張力，并輔助固定伺服式加速度計識別橋梁的整體動態(tài)特性。收集的數(shù)據(jù)將直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)進行頻譜分析。

1.4 便攜式檢查和維護系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的便攜式檢查和維護系統(tǒng)包括3臺便攜式筆記本電腦，用于對數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)進行檢查和維護工作。便攜式檢查和維護系統(tǒng)的另一個功能是通過存儲和更新所有系統(tǒng)設計信息（包括所有圖紙和所有操作和維護手冊）來促進系統(tǒng)檢查和維護。

2 健康監(jiān)測類別與程序

2.1 風荷載監(jiān)測

風荷載在大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)設計中占有重要地位。橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)中的風荷載效應監(jiān)測包括臺風、季風和大風（即平均速度大于5 m/s的任何風）的監(jiān)測，分為五個步驟：（1）記錄/存檔來自甲板水平的超聲波式風速計3個正交方向的風速時程數(shù)據(jù)，以及螺旋槳式風速計的塔頂水平面風速和風向的時程數(shù)據(jù)。（2）繪制平均風和陣風的風玫瑰圖，并繪制梯度和陣風風速剖面圖。（3）計算風紊流強度、時間和長度標度、頻譜、共譜和相干度。（4）繪制橋梁構(gòu)件（裝有加速計、位移傳感器）對風速的響應。（5）繪制安裝有應變計的抗風支撐構(gòu)件的應力需求比圖。在獲得足夠的風數(shù)據(jù)結(jié)果后，進行極值分析，以預測各自正常使用極限狀態(tài)和極限狀態(tài)下的極端風況。

2.2 溫度荷載監(jiān)測

橋梁的熱響應受環(huán)境溫度、風速波動、材料性能、表面特性和截面形狀的影響。該系統(tǒng)的溫度或熱負荷效應監(jiān)測分為四個步驟：（1）測量空氣、瀝青路面、不銹鋼的溫度，繪制溫度隨時間的變化曲線。（2）從橋面板、塔架和電纜的代表性或關(guān)鍵截面的測量點推導或計算有效橋梁溫度和溫差，并繪制推導或計算結(jié)果與時間的關(guān)系。（3）估算/計算由實測溫度梯度引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)應力水平。（4）根據(jù)溫度繪制甲板的熱運動圖，如垂直運動的主跨中間和縱向運動的運動縫處的溫度。測量結(jié)果將用于與設計值進行比較。此類監(jiān)測的傳感器為溫度傳感器、位移傳感器和應變計，溫度負荷監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 溫度監(jiān)測結(jié)果

2.3 道路荷載監(jiān)測

對于大跨度橋梁，交通堵塞是確定公路荷載強度的主要設計參照，而公路荷載強度取決于車輛荷載強度。交通負荷強度基于每天形成的交通堵塞數(shù)量，交通堵塞的位置、持續(xù)時間和車輛分布模式以及交通堵塞中交通流所采用的假設[4-5]。

WAWMS中的公路荷載效應監(jiān)測包括兩個步驟：（1）通過安裝在車道上的動態(tài)稱重傳感器測量交通流量和交通荷載，用于識別通過橋梁的不同類型的軸荷載和不同類型的車輛。（2）建立基于應變/應力結(jié)果的公路荷載譜，用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如橋槽段）的疲勞損傷評估。此類監(jiān)測的傳感器類型有動態(tài)稱重傳感器、應變計、液位傳感站、GPS和CCTV攝像機。

2.4 鐵路荷載監(jiān)測

鐵路荷載是交通荷載設計的另一個主要參數(shù)。鐵路軌道模型由加勁橋面段拱腹處的縱向工字鋼支撐。因此，鐵路荷載通過縱向工字梁分配到加勁橋面段。由于沒有傳感器來測量列車對橋梁施加的動荷載，因此采用安裝在縱向工字梁上的應變片間接進行鐵路荷載監(jiān)測。對應變和位移結(jié)果進行處理，以確定每組轉(zhuǎn)向架載荷的影響線（力和位移）。一條列車線（7輛編組列車，由14組轉(zhuǎn)向架載荷組成）的影響線由14組影響線疊加而成，處理應變結(jié)果以評估鐵路負荷譜疲勞負荷。此類監(jiān)測涉及的傳感器類型有可焊接應變計、GPS和液位傳感站。列車裝載設計與測量監(jiān)控見圖3。

2.5 拉索受力監(jiān)測

在斜拉橋中，索系是抵抗荷載的關(guān)鍵構(gòu)件，特別是對于豎向荷載。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，索力監(jiān)測由加速度計、水平傳感站和GPS進行。通過從環(huán)境振動的時程加速度數(shù)據(jù)中提取頻率，可以確定每根電纜中的當前張力。在斜拉橋中，通過對斜拉索振動幅值的監(jiān)測，可以估算出斜拉索在橋面和索塔上的豎向力和水平力。水準儀和GPS還可以通過轉(zhuǎn)換實測的纜索凈位移來評估活載作用下的索力。然后將計算的索力與正常使用和極限狀態(tài)下的設計值進行比較。吊桿索力監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 吊桿索力監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)語

介紹了纜索支撐橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并通過典型圖形圖說明了監(jiān)測結(jié)果的應用，以期為工程實際提供參考。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計和運行需要注意四個方面：（1）大跨度橋梁的設計、施工、運營和維護，以確定監(jiān)測參數(shù)的適當位置、類型和范圍，并解釋測量和分析結(jié)果；（2）用于測量和處理信號或數(shù)據(jù)的儀器技術(shù)；（3）用于數(shù)據(jù)輸入/輸出、分析和解釋的圖形CAD和數(shù)值分析技術(shù)；（4）用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和可視化的信息技術(shù)。