面向管养的军山大桥健康监测系统研究

王 超， 钟继卫， 朱宏平

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074;2. 中铁大桥局集团桥科院有限公司， 湖北 武汉 430034)

桥梁在长期运营过程中，由于环境侵蚀、材料老化和疲劳效应等灾害因素的作用将导致结构的损伤累积，甚至引发灾难性事故。传统人工巡检的管养方法费时费力，主观性强，实效性差，影响交通，效率低。为全面、实时掌握运营阶段大桥结构状态的变化，确保桥梁的安全运营，延长使用寿命，各国专家学者开展了大量桥梁健康监测技术的研究与应用，先后在多座桥梁上安装了桥梁健康监测系统。如美国Sunshine Skyway桥，香港青马大桥，卢浦大桥，苏通长江大桥，贵州坝凌河大桥等[1～4]。

以往的健康监测系统是基于自动化传感测试技术对结构各种关键参数进行实时监控，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况和承载能力进行智能评估。然而，由于监测技术和费用的限制，要监测与结构退化及安全性相关的所有部位是不可能的。同时由于损伤具有局部性、监测参数对局部损伤不敏感以及噪音的影响，结构损伤往往很难识别。因此，如何以有限的测点尽量获取与结构退化及安全性真正相关的信息，以及对测得的海量数据进行分析，评估结构状态，指导大桥管理养护，为管养部门所用成为大家所关注的研究热点[5,6]。

基于面向管养的理念，针对军山长江大桥的特点，研究了健康监测系统的设计及构成，建立了面向管养的桥梁健康监测系统。利用监测系统采集的各种数据，分析讨论了监测系统对桥梁管理养护的具体指导作用。

1 面向管养的系统构建

武汉军山长江大桥为半漂浮五跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主桥跨径为 48 m+204 m+460 m+204 m+48 m。大桥自建成以来，由于环境侵蚀、材料老化和疲劳效应等因素的作用，结构局部发生了病害。为了及时准确掌握大桥的工作性能，为管养部门提供养护维修指导，保障大桥安全，建立了一套面向管养的健康监测系统，区别于面向科研与面向设计的系统，该系统的基本原理是基于管养部门的使用需求，从监测项目、测点布设、数据分析等各个方面进行设计研究，使其能方便实用、有效快速的对结构运营状况进行评估，并提供相应的管养指导。

1.1 面向管养的系统设计

1.1.1监测项目需求

钢箱梁：大桥于2001年12月建成通车近10年以来，钢箱梁内部存在局部锈蚀、积水、构件开裂等病害。钢桥面板开裂，会导致结构局部刚度降低，一方面不利于桥面铺装层受力，另一方面会加剧疲劳荷载作用，进而使结构裂缝加速扩展。因此需对疲劳裂缝发生及可能发生位置的应力进行监测。通过历史病害的分析及结构有限元分析，正交异性桥面板钢箱梁在以下位置容易产生疲劳裂纹：横隔板与U肋下翼缘相交处角焊缝；面板与U肋相交处角焊缝；纵隔板与面板相交处角焊缝；U肋拼接处。

桥塔：通过军山大桥定期检查发现，大桥桥塔表明出现了竖向短细裂纹，通过分析，该裂纹主要是由于温度应力引起的。桥塔是结构的主要承重构件，为保障大桥安全运营，需监测桥塔应力及温度场的变化。

路面温度：由于路面沥青混凝土的破坏，军山大桥于2010年曾对大桥路面进行过大修，桥面铺装层损伤主要是由桥面超载引起的，但桥面温度过高导致路面沥青混凝土的软化是引起路面车辙和甬包的主要原因之一。另外路面温度过低将发生结冰现象，将对行车安全形成隐患，因此有必要对路面温度进行监测，为管养部门提供指导。

索力：斜拉索是大跨度斜拉桥主要的受力构件，一方面它是支撑和传递桥面荷载的主要途径,索力的变化对结构的整体受力状态有重要影响，反之也是结构受力状态或安全状况的直接反应。军山大桥斜拉索在2007年还发生过被撞的交通事故，因此，应对全桥各区段斜拉索索力实施全面监测。

主梁线形：主梁线形是大跨度桥梁结构力学行为特征的最直观体现之一，同时也是影响桥梁正常使用的重要指标。需要对大桥主梁线形进行监测。

动力特性：动力特性改变可视为桥梁结构状态发生变化的标志，可以利用其变化对结构进行诊断。同时，结构振动水平的大小直接影响大桥的正常使用性能，过高水平的振动影响行车舒适度，甚至行车安全。另外，军山大桥斜拉索在恶劣环境下存在较严重的风雨振现象，巡检发现部分拉索减震器失效，有必要对斜拉索振动情况进行监测。

支座：支座是桥梁结构的力学边界，是决定结构受力状态的基本条件，其工作正常与否直接关系到大桥结构安全，而支座位移情况是其是否正常工作的重要标志。2010年定期检测发现大桥部分支座发生了破坏，伸缩缝内充满砂石、泥土等垃圾，被堵塞、卡死，因此，有必要对支座位移进行监测，为管养单位提供指导，及时进行维修养护。

1.1.2快速实时分析

健康监测系统相对于传统管养方式，一个突出的特点就是监测分析的实时性，监测系统通过实时监测分析发现桥梁病害，及时为桥梁的维修养护和管理决策提供科学依据和指导，确保桥梁安全运营。面向管养的健康监测系统需要实现结构的快速实时分析，对结构技术状况、服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行快速评估。

1.1.3传统管养信息的引入

在目前的技术水平下，基于传感器的自动化监测系统无法发现以下损伤：钢材的早期锈蚀、疲劳裂缝、混凝土劣化等，对于此类损伤，应采用人工巡检的方式进行识别。因此，必须引入传统管养信息，将自动化传感测试与人工巡检相结合，建立起桥梁结构运营健康监测综合评估系统，才能由表及里、从局部到整体来掌控大桥的运营安全状态。

1.1.4软件方便易用

健康监测系统建成后主要交付给桥梁养护部门使用，管养人员习惯于传统人工巡检的方式对桥梁进行养护，可能对于健康监测相关理论关注较少，因此应考虑管养人员的操作习惯、管养使用需求，设计用户界面友好、方便易用的软件。

1.1.5系统的可维护性

大型桥梁结构的设计寿命通常百年，实际健康监测系统部分传感器可能比结构的寿命要短，一般来说，传感器安全稳定使用寿命在10～15年，这就要求在系统设计时进行相应的考虑，确保系统具有长期的稳定性和可维护性。如系统的通风散热、防雷接地、防水防尘、保暖防寒设计、通信及电力冗余网络的设计，标识标签、接线的设计便于检修，保护盒及传感器的设计要考虑拆卸更换的便捷。

1.2 系统组成

根据军山大桥的结构特点和地理环境，以及大桥管养方面的需求，拟定军山大桥结构健康监测系统的设计目标、预期功能、总体框架。整个系统由自动化数据采集与监测子系统、电子化人工巡检子系统、数据处理与管理子系统、综合预警与安全评估子系统和软件子系统共五大子系统构成。

1.2.1动化数据采集与监测子系统

自动化数据采集与监测子系统完成传感器数据的采集、信号调理以及数据传输。根据军山大桥受力特点、危险性分析结果、管养需求及本桥结构分析、环境荷载特点，综合分析确定系统由349个各类传感器组成。包括2个风速风向仪、4个温湿度仪、6个车速车轴仪、1个三向加速度计、132个温度传感器、130个应变传感器、16个挠度传感器、4个倾斜仪、4个GPS、2个位移传感器、48个单向加速度传感器组成。全桥测点布置如图1所示。

图1 军山大桥健康监测系统测点布置

1.2.2数据处理与管理子系统

数据处理与管理系统完成数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制。考虑到系统包含动、静态等多种不同格式及存储方式的数据，且采集站分布于桥梁的不同位置，大桥设计了一个基于分布式异构数据库的数据管理系统。对动、静态数据采取不同的采集策略。对于动态数据采用连续采集，定期上传分析数据，定期删除原始数据的策略；在特大事故或恶劣气象时，采取阈值触发采集方式。对于静态数据，采用完全采集的策略。

1.2.3电子化人工巡检子系统

针对军山桥的特点，采用“主动巡检、预防为主”的巡检养护理念来构筑巡检养护系统，建立起一套C/S结构与B/S结构相结合的基于数据库核心和全电子化录入的电子化人工巡检系统。系统包括巡检管理系统主模块和智能巡检终端，实现对人工巡检信息的数字化录入、查询、评估与管理。

1.2.4综合预警与安全评估子系统

系统将预警报警体系分为四类，可变荷载预警、结构响应预警、基准状态变化预警、趋势变化预警。可变荷载预警与结构响应预警通过在线预警方式实现，基于监测数据的统计信息及简单数据分析，对监测点的环境参数和力学指标进行预警，信息通过web界面显示或通过短信平台发送给相关人员。基准状态变化预警和趋势变化预警通过离线分析方式实现，其中结构基准状态变化包括静力状态和动力状态，静力状态为剔除环境影响后的准恒载状态，动力状态为结构频率振型等动力性能。预警信息通过人工输入数据库系统，同时通过web界面显示、email和短信通知给相关人员。

1.2.5监测与评估软件子系统

大桥软件系统采用扩展B/S+C/S相结合的模式设计，给用户提供了一套基于Internet和高速局域网的web系统，是用户与健康监测系统的交互平台。主要包括在线监测评估软件、智能预警分析平台、自动数据分析评估报告报表系统、三维桥梁仿真软件四部分。

2 面向管养的应用

2.1 车辆荷载

车辆超载是桥梁安全的隐患，是造成桥梁安全事故最主要的原因之一。系统采用动态称重系统实现对交通流量、行车车速、轴重的实时监测，为建立大桥交通荷载模型、进行结构评估提供依据，同时可对超载超限车辆进行统计，辅助管养部门实现对超限车辆的管控。系统在金口侧引桥上安装了6车道(从上游到下游依次编号为1～6)动态称重系统。图2是2012年03月15日全天各车道车辆数及各时刻车辆数监测结果。

图2 车辆分布

图3 车辆统计

全天以车道2、5(中间车道)通过车辆数最多，最内侧车道(3、4)通行车辆数较少。全天通行车辆最多时段为下午14∶00-15∶00，通行车辆最少时段为2∶00-3∶00，全天共有19463辆车通过军山长江大桥。

图3为各车道统计24小时各时刻超过30 t的车辆数及车道5超过30 t车辆各时刻分布。超30 t车大部分通行在外侧车道(1、6)和中间车道(2、5)，表明重车通常行驶在中间及外侧车道，因此应关注中间及外侧车道钢箱梁的结构受力及检修养护。车道5全天各时刻通行超30 t车分布较平均，表明军山桥上全天各时间段通行的重车较分散，不存在显著的高峰时段。

2.2 支座位移

支座是决定结构受力状态的基本条件，通过对支座位移监测数据的分析，可以及时发现其是否存在异常情况，指导管养。图4是军山大桥金口侧支座2012年07月20日全天位移实测曲线。为判断支座性能状况，对支座位移与钢箱梁温度进行回归分析，分析结果如图5所示。

图4 支座全天位移曲线

图5 金口侧支座位移与温度回归曲线

图中虚线是具有95%保证率的置信区间，支座位移与钢箱梁温度线性相关系数为0.99，相关性程度很高，钢箱梁温度每升高1℃，金口侧支座位移增大5.2 mm。支座全天位移曲线通畅，未出现异常值，表明支座运行正常。在桥梁运营过程中，可以实时分析支座位移与温度的线性拟合系数，与基准值比较，及时发现支座是否运动正常，是否有阻滞、异物等，为管养提供依据和指导。

2.3 疲劳评估

桥梁因承受车辆加载和卸载而产生交变应力，长期作用将使钢构件产生疲劳损伤。传统建立标准疲劳车的评估法现场交通调查工作量很大，并且由于各种计算假定、桥梁振动、车辆偏载的影响其结果与实际存在较大差别。健康监测系统为结构疲劳评估提供了新的途径，可以通过实时监测结构疲劳关键部位的应力时程，进行统计分析得到应力谱，考虑到交通荷载的周期性，本文取2个星期的应力时程进行统计得到标准日应力谱，然后基于Miner线性累积损伤准则对其进行疲劳评估[7～10]。

军山大桥在中跨1/4截面布设了大量应力测点，针对正交异性桥面板钢箱梁的受力特点，这里主要对4种部位(见图6)进行疲劳评估：(1)顶板与U肋纵向焊接连接(共6个测点)；(2)U肋横向焊接连接(共8个测点)；(3)顶板与横隔板横向焊接连接部位(共4个测点)；(4)横隔板与U肋下缘连接部位(共6个测点)。评估结果如表1所示。

图6 测点现场安装

测点损伤度(%)预期寿命(年)测点损伤度(%)预期寿命(年)测点损伤度(%)预期寿命(年)测点损伤度(%)预期寿命(年)1-10.0≫1002-10.5≫1002-75.6≫1004-1276.636.21-20.0≫1002-21.5≫1002-827.9358.44-2234.342.71-30.4≫1002-31.4≫1003-10.0≫1004-32214.04.51-40.2≫1002-42.4≫1003-20.0≫1004-434.7288.21-50≫1002-554.8182.53-30.0≫1004-51912.85.21-60.2≫1002-61.3≫1003-40.0≫1004-61594.26.3

表中损伤度表示结构在根据当前交通荷载统计的应力谱作用下到达设计寿命期时的累积疲劳损伤程度。结构在当期交通从上表可以看出：在当前交通状况下，该桥在服役结束时，第一类测点损伤度都远小于1，不会发生疲劳破坏；第二类测点中测点2-5和2-8累积损伤度较大，分别为54.8%、 27.9%，但预期使用寿命都超过100年，其他测点损伤度都较小。目前U肋横向焊接不会发生疲劳破坏，仅需对个别部位加强长期监测。第三类所有测点的累积损伤度为零，不会出现疲劳破坏；第四类除测点4-4损伤度小于1，其他测点损伤度都大于1，因此，横隔板与U肋下缘连接部位可能发生疲劳破坏，该部位是钢箱梁的疲劳薄弱部位，应重点监测，加强维护。

2.4 环境湿度

环境湿度是影响结构的腐蚀、老化的重要因素，通过对桥位处环境湿度的监测分析可以为桥梁维修养护提供实时有效的指导。图7是经过去奇异值、去噪等预处理后的军山大桥2012年12月1日～20日钢箱梁内环境湿度监测时程曲线。

图7 环境湿度监测曲线

由图可知钢箱梁内湿度变化趋势明显，湿度范围为30%～72%。12月2日、12月4日～20日湿度较大，部分时段湿度超过预警值(军山大桥设定为60%)，对钢结构防腐较为不利。通过对湿度的实时监测，可以及时提醒管养部门采取合适的管养措施，如开启抽湿装置。

2.5 路面温度

图8 路面温度监测曲线

桥面温度过高会导致路面沥青混凝土的软化，容易引起路面车辙和壅包，破坏路面结构。而桥面温度过低可能发生结冰现象，影响行车安全，可能间接对桥梁造成损伤。军山桥路面年最高温度和最低温度分别达到54℃和-2℃。通过对桥面温度的监测分析，可以为管养部门提供指导。图8是经过预处理后大桥2012年12月30日路面温度实时监测曲线。

由图可以看出，路面温度晚上降低，白天升高，在早上8点左右达到最低，下午3点左右达到最高，因此，在早上7～9点路面温度较低，最低温度为零下1.1℃，桥面有结冰的可能，将对行车安全构成隐患，应提醒管养部门加强监测，随时做好应对措施。

3 结 语

桥梁管养部门需要结构的关键信息以供维修决策，传统的桥梁管养方法在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，健康监测系统的建立为桥梁管养提供了新的契机，本文基于面向管养的理念，研究了军山大桥健康监测系统的设计方法，并对采集的数据应用于管养进行了分析与探讨。当前，监测系统的设计与分析理念越来越侧重于为桥梁的管养提供支撑，未来需要进一步加强这方面的研究研究。

[1] 裴 强，郭 迅.桥梁健康监测及诊断综述[J].地震工程与工程振动，2003,23(2):61-67.

[2] 黄方林，王学敏，陈政清，等.大型桥梁健康检测研究进展[J].中国铁道科学，2005,26(3):1-7.

[3] 刘 军，童杏林，梁 磊.高性能桥梁长期健康监测系统设计与集成研究[J].武汉理工大学学报，2009, 31(23):52-56.

[4] 李 惠，欧进萍.斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现(II):系统实现[J].土木工程学报，2006,39(4):45-53.

[5] 樊叶华，陈雄飞.基于管养需求的江阴大桥结构健康监测系统研究[J].公路交通科技，2010,27(9):43-52.

[6] 田启贤，钟继卫，王 超.现代化桥梁管养技术——智能监测系统在桥梁运营中的应用[J].桥梁检测与加固，2012, 9(s1):66-70.

[7] Li Z X, Chant H T, Ko J M. Fatigue analysis and life prediction of bridges with health monitoring data—Part I: Methodology and strategy [J].International Journal of Fatigue, 2001, 23 (1): 45-53.

[8] Chan T T, Li Z X, Ko J M. Fatigue analysis and life prediction of bridges with health monitoring data—Part II: Applications[ J]. International Journal of Fatigue, 2000, 23 (1): 55-63.

[9] 王 超，钟继卫，朱宏平.基于健康监测系统实测应力的钢箱梁疲劳评估[J].武汉理工大学学报，2012,34(12): 103-107.

[10] 辛学忠，苏木标，陈树礼，等.大跨度铁路桥梁健康状态评估的统计对比诊断方法研究[J].铁道学报，2006，28 (2): 116-121.