李景玉，繆慶旭，桑曉玉，孫鐵元

(1.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司 溫州市 325000;2.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司 重慶市 400067)

0 引言

由于橋梁運(yùn)營期內(nèi)安全、正常使用的要求，從上個世紀(jì)末開始，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測便逐漸發(fā)展起來[1]。在一些建成的大跨度橋梁上安裝了各類的傳感器，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測和紀(jì)錄，以此保障橋梁的安全運(yùn)營[2-3]。目前，橋梁健康監(jiān)測的積極作用已經(jīng)得到了各界的廣泛認(rèn)可，進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)評估也是政府部門推動下的必然發(fā)展趨勢[4]。采用科學(xué)、合理的監(jiān)測手段和盡量經(jīng)濟(jì)性的健康系統(tǒng)設(shè)計是橋梁監(jiān)測業(yè)界的普遍共識[5]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器[6]、信號采集[7]、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析[8]等眾多理論，這是有效預(yù)防災(zāi)難性事故、橋梁運(yùn)營安全的重要保障[9]。

飛云江大橋是甬臺溫高速公路溫州甌海南白象至瑞安龍頭段的重要結(jié)構(gòu)物之一，大橋跨越飛云江，在2002年7月建設(shè)完工。飛云江大橋主跨為44m+3×80m+44m五孔連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁。為確保飛云江大橋的安全運(yùn)營，通過結(jié)構(gòu)分析，對其進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，并對監(jiān)測項預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定。

1 有限元分析

1.1 模型建立

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需要對橋梁在荷載作用下結(jié)構(gòu)受力和變形有充分的了解。飛云江主橋結(jié)構(gòu)為44m+3×80m+44m變截面連續(xù)梁橋，利用有限元分析軟件Midas/Civil對主橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)單元選擇為梁單元，全橋一共離散為354個單元、355個節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示。

圖1 主橋有限元模型圖

1.2 結(jié)構(gòu)受力分析

為掌握橋梁運(yùn)行階段受力狀態(tài)，并為監(jiān)測項目及測點(diǎn)位置的確定提供依據(jù)，對飛云江大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析?？紤]到不同荷載情況下橋梁結(jié)構(gòu)受力變形的差異，對以下幾個荷載工況進(jìn)行計算分析：工況1：恒載作用；工況2：恒載+汽車荷載作用；工況3：恒載+汽車荷載+溫度荷載作用。分析得到不同荷載工況下橋梁應(yīng)力和變形情況。

根據(jù)不同荷載工況下的計算分析結(jié)果可知，恒載作用是飛云江大橋結(jié)構(gòu)受力和變形的主要因素，汽車荷載和溫度荷載對結(jié)構(gòu)受力變形也有較大影響。不同工況下結(jié)構(gòu)變形趨勢有一定的相似性，三種荷載工況下結(jié)構(gòu)第2跨～第4跨均有較大的向下豎向位移，最中間跨第3跨跨中截面位置在工況1～工況3作用下豎向位移分別為-20.2mm、-32.2mm、-50.9mm。全橋最大位移在第2跨、第4跨跨中截面位置，工況1～工況3作用下的最大位移分別為-27.6mm、-39.6mm、-64.4mm。由于多跨連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)構(gòu)邊跨在全橋荷載作用下有向上的豎向位移，最大向上豎向位移在邊跨跨中位置，工況1～工況3作用下最大位移分別為16.8mm、19.4mm、35.7mm。不同工況下全橋各截面最大應(yīng)力的變化有所差異，但最大應(yīng)力截面位置都出現(xiàn)在邊跨跨中位置，工況3作用下邊跨跨中達(dá)到最大應(yīng)力值14.7MPa。

徐變是在持續(xù)荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)變形隨時間推移而增加的現(xiàn)象，徐變作用對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的受力變形有著很大的影響。由于飛云江大橋已運(yùn)行年限較久，考慮到其受混凝土收縮徐變的影響，利用有限元模擬成橋20年飛云江大橋運(yùn)行情況。部分計算分析結(jié)果如圖2所示。由計算結(jié)果可知，收縮徐變作用對結(jié)構(gòu)受力和變形有著很大的影響。在收縮徐變作用下，主梁豎向位移有著顯著的增大，中間三跨的豎向位移增大尤為明顯，第2～4跨跨中位移從橋梁建成初期的-57.1mm、-54.4mm、-56.8mm分別增大至-163.6mm、146.5mm、163.1mm，最大豎向位移變化為最初變形值的3倍左右。

圖2 徐變下主梁撓度

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)測項目及測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力變形分析結(jié)果易知，應(yīng)對主梁豎向位移以及各跨跨中截面位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，然后考慮飛云江大橋運(yùn)行狀態(tài)、橋型、環(huán)境因素，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，最終確定飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目和測點(diǎn)位置。飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項包括主梁應(yīng)變、主梁豎向變形和溫濕度。各個監(jiān)測項測點(diǎn)位置分布如圖3所示。各截面應(yīng)變測點(diǎn)位置及序號編排如圖4所示。監(jiān)測項測點(diǎn)數(shù)量與傳感器類型如表1所示。

圖3 測點(diǎn)位置分布圖

圖4 各截面應(yīng)變測點(diǎn)位置及序號編排圖

表1 監(jiān)測項目及測點(diǎn)數(shù)量

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由六個子系統(tǒng)組成，分別是傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀況評估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)。飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)是監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和來源，由各類傳感器和一些附屬設(shè)備構(gòu)成。目前，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家眾多，傳感器型號多樣，技術(shù)性能有很大差異。因此，在傳感器的選擇上必須遵循以下原則：

(1)可靠性。監(jiān)測傳感器的精度、量程、靈敏度、頻率響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和儀器系列型譜的相關(guān)要求。

(2)耐久性。選擇的傳感器需能夠在橋址復(fù)雜環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

(3)經(jīng)濟(jì)性。傳感器及其配套儀表具有高性價比和實(shí)用性。

(4)可更換性。橋梁的監(jiān)測期很長，所安裝的傳感器都有可能面臨更換的問題，因此，傳感器必須能夠更換且滿足更換時監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個傳感器的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)信號通過有線或無線的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)系統(tǒng)中，這是后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場設(shè)備、虛擬監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)軟件四個部分。這四個部分的設(shè)計與傳感子系統(tǒng)有很大的聯(lián)系，傳感器的輸出信號類型決定了采集模塊的類型，傳感器的布設(shè)位置決定了數(shù)據(jù)采集站的分布，從而進(jìn)一步影響到采集與傳輸軟件的設(shè)計開發(fā)，詳見表2。

表2 傳感器信號分析及采集設(shè)備選擇

2.2.3數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)

在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行期內(nèi)會采集大量的數(shù)據(jù)，隨著時間的累積，采集的數(shù)據(jù)量也是非常巨大的。數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理和預(yù)警兩個部分組成。數(shù)據(jù)處理部分主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，對監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選，再進(jìn)行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘等。預(yù)警部分可以根據(jù)監(jiān)測項目的閾值信息，對異常情況進(jìn)行在線預(yù)警。

2.2.4數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所有相關(guān)數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、儲存。相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括橋梁設(shè)計資料、橋梁施工資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)預(yù)警評估數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)需達(dá)到以下技術(shù)目標(biāo)：

(1)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制、篩選、二次處理。

(2)各類數(shù)據(jù)的儲存工具和場所與數(shù)據(jù)類型相匹配，具有與采集、預(yù)處理、后續(xù)處理要求適應(yīng)的分布式數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)。

(3)支持部分特殊數(shù)據(jù)的單獨(dú)儲存功能。

(4)必須支持?jǐn)?shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。

2.2.5結(jié)構(gòu)狀況評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)狀況評估子系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，通過對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，確定橋梁的運(yùn)營狀態(tài)，判斷橋梁是否在安全運(yùn)營的范圍內(nèi)，對于異常狀態(tài)和潛在問題存在時，提前告知橋梁相關(guān)管理養(yǎng)護(hù)人員，進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)工作。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)要達(dá)到的基本目標(biāo)如下：

(1)具有合理的結(jié)構(gòu)評估方法和標(biāo)準(zhǔn)。

(2)能夠提供全面而又規(guī)范的定期評估報告。

(3)結(jié)構(gòu)評估結(jié)果可以有效幫助到橋梁運(yùn)營管理養(yǎng)護(hù)決策。

2.2.6用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)各類人員與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)交互的平臺，見圖6。利用用戶界面子系統(tǒng)可以滿足用戶的各種需求，對監(jiān)測數(shù)據(jù)等內(nèi)容實(shí)時向用戶進(jìn)行展示，并提供特定數(shù)據(jù)的輸入與輸出的功能。由于用戶界面子系統(tǒng)的功能目的，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、美觀、操作簡單、精煉簡潔等特點(diǎn)。用戶界面子系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾個部分：

(1)根據(jù)用戶需求，向用戶提供操作和管理平臺賬號，使用戶能夠遠(yuǎn)程查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

(2)根據(jù)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，生成橋梁評估結(jié)果和監(jiān)測報告等文件。

圖6 用戶交互平臺

3 預(yù)警閾值分析

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警閾值設(shè)定是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，各個監(jiān)測項目預(yù)警閾值的設(shè)定是否合理對于監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確性有著很大的影響。不合理的預(yù)警閾值可能造成資源的浪費(fèi)，甚至安全事故的發(fā)生。通過有限元模擬分析，并結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)確定預(yù)警閾值，以此保證預(yù)警閾值的合理性。

3.1 有限元模擬

在本文第二章有限元模型的基礎(chǔ)上模擬溫度和汽車荷載作用，確定全橋應(yīng)力和撓度變化情況。為確定最合理的預(yù)警閾值，盡可能模擬橋梁真實(shí)運(yùn)營情況，溫度荷載根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的極值確定，溫度荷載為整體升降溫15℃，梯度升溫為20℃、6.67℃，梯度降溫為-10℃、-3.35℃。汽車荷載以最大車道線進(jìn)行布載，車輛荷載中均布荷載為10.5kN/m，集中荷載為360kN。有限元分析計算得到部分結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫度和汽車荷載作用下主梁撓度

3.2 閾值設(shè)定

根據(jù)有限元分析計算結(jié)果和部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主梁豎向位移和應(yīng)變兩個重點(diǎn)監(jiān)測項進(jìn)行閾值設(shè)定。由有限元模擬計算結(jié)果可以得到各個監(jiān)測項測點(diǎn)在溫度和汽車荷載作用下的極差，計算分析得到的應(yīng)變各測點(diǎn)和主梁豎向位移各測點(diǎn)極差結(jié)果。從飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)中提取2022年7月22日至2022年8月21日期間主梁豎向位移和應(yīng)變監(jiān)測項各個監(jiān)測點(diǎn)的全部監(jiān)測數(shù)據(jù)，并計算得到兩個監(jiān)測項各個測點(diǎn)的變化極差如圖8、圖9所示，測點(diǎn)序號編排方式見表1。

圖8 應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)

由計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，應(yīng)變監(jiān)測項各測點(diǎn)計算極差和監(jiān)測極差最大值分別是485με、115με，主梁豎向位移各測點(diǎn)計算極差和監(jiān)測極差最大值分別是65.5mm、13.8mm?？傮w來說，各個測點(diǎn)有限元模擬計算結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際監(jiān)測數(shù)值，這種差異主要有兩方面的原因，最主要的原因是橋梁實(shí)際所受荷載是遠(yuǎn)小于有限元模擬計算所施加的荷載，有限元模擬時所施加的荷載是按橋梁可能所受最大荷載施加；另外，由于橋梁實(shí)際運(yùn)營年限較久，材料性能和部分結(jié)構(gòu)的變化，這也使得有限元方法不能完全真實(shí)地模擬橋梁實(shí)際運(yùn)營情況。為保證飛云江大橋運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全，需綜合考慮實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果，對主梁豎向位移和應(yīng)變設(shè)定預(yù)警閾值，參考《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JT/T 1037—2022)和《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50982—2014)中報警閾值相關(guān)內(nèi)容，分別基于實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元模擬計算結(jié)果設(shè)定一級預(yù)警值和二級預(yù)警值，最終確定飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)各監(jiān)測項兩級預(yù)警指標(biāo)。部分關(guān)鍵測點(diǎn)預(yù)警閾值設(shè)定如表3、表4所示。

表3 各跨跨中撓度預(yù)警閾值

表4 第三跨跨中應(yīng)變預(yù)警閾值

4 結(jié)語

進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測是保障橋梁運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營的重要措施，也是目前工程界普遍認(rèn)為的發(fā)展趨勢。合理、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計對于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的發(fā)展有著重要的意義。飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計重點(diǎn)考慮了橋梁本身運(yùn)營和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并遵循了科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)性等原則，其監(jiān)測項預(yù)警閾值的設(shè)定也綜合考慮了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和前期監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，飛云江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)已在穩(wěn)定的運(yùn)行當(dāng)中，這對于飛云江大橋運(yùn)營安全、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估有著重要的意義。