大跨度斜拉桥全寿命安全监测系统设计

翁方文，朱浩，郑建新

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

大跨度斜拉桥全寿命安全监测系统设计

翁方文，朱浩，郑建新

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

依托沌口长江公路大桥主桥，在总结分析以往桥梁健康监测技术的基础上，将桥梁施工监控及运营期健康监测在硬件（传感器类型及布置）、软件、传输方式及数据方面进行融合，形成沌口大桥全寿命安全监测系统，该系统综合了施工监控及运营监测，从顶层进行设计，大大节约了成本；运营的基准状态不再以设计成桥为基础，直接以施工最终状态为起始条件，能够显著地提高系统安全评估的精度。沌口大桥全寿命安全监测系统的设计对类似工程具有一定的指导意义。

大跨度斜拉桥；全寿命；安全监测

大跨度桥梁设计使用年限为100 a，投资规模宏大，桥梁建成后随着投入运营时间的推移，大桥各构件将面临受到各种损伤及内力状态的改变，相应桥梁的刚度和承载能力就会出现不同程度的衰减，这些变化如果能够被预先获知并且进行适当的调整、维护、维修就不会危及桥梁结构的运营安全，否则将可能导致灾难性事故。

建立桥梁健康监测系统目的是避免灾难性事故的发生，实时掌控使用状态，辅助管养维护[1-2]。

1 桥梁健康监测发展概述

桥梁健康监测技术的发展主要分为3个阶段，20世纪80—90年代末期主要是即传感技术（智能材料+智能传感器）和探索性工程应用；90年代—21世纪初为高性能传感器应用结合的传输技术及示范性工程应用；目前阶段的主流趋势为高性能智能化传感测试系统与电子化人工巡检相结合。

国内外桥梁的健康监测系统均是运营期的健康监测，施工监控和健康监测由不同单位分别建立独立系统完成，桥梁状态信息缺乏延续性且不经济。

2 工程概述

沌口长江公路大桥及接线工程，连接武汉市四环线西、南段，是四环线的重要组成部分和跨越长江的关键性控制工程之一，沌口长江公路大桥主桥宽46 m（含风嘴），为五跨一联双塔双索面钢箱梁斜拉桥。跨径布置为（100+275+760+275+ 100）m，全长1 510 m，为半漂浮体系斜拉桥，主塔采用A形索塔，主梁为PK断面钢箱梁，采用1 860 MPa平行钢丝斜拉索，全桥共240根斜拉索。桥形布置及标准断面如图1所示。

3 全寿命安全监测系统设计理念

3.1 系统设计特点

针对桥梁施工监控系统和健康监测系统在系统硬件、软件、传输方式及数据处理方面的共性，提出了“桥梁全寿命安全监测系统”理念，其中心任务是确保结构在整个生命期的安全。

将施工监控和健康监测在硬件、软件、传输方式及数据处理方面进行了融合，实现无缝对接；运营的基准状态不再以设计成桥为基础，直接以施工最终状态为起始条件；安全信息通过传感器监测信息及人工巡检、施工监控综合获得，预测危险状态主动养护。

3.2 硬件的融合

施工监控系统一般包括结构设计参数监控、几何形态监控、应力监控、索力监控、温度监控等几个方面，其涉及的硬件设备包括全站仪、水准仪、应变传感器、索力传感器、温度传感器等。健康监测系统一般包括环境监测、整体性态监测、应力应变监测、索力监测、振动监测等，其涉及的硬件设备包括 GPS、挠度传感器、应力应变传感器、索力传感器、加速度传感器、风速仪等。因此，进行桥梁施工监控系统与监测系统的硬件融合，可将二者监控（测）内容、测试手段相同的项目进行合理融合，使监控系统的硬件可以监测系统所用。以沌口大桥为依托，在施工监控与健康监测2个阶段，可进行硬件融合的设备有应变传感器、温度传感器、索力传感器等。

3.3 软件的融合

桥梁施工监控系统与健康监测系统的软件子系统包括采集软件与系统软件2部分。在采集软件方面，对于实现硬件融合的监控（测）项目，其相应的采集软件可以满足施工监控与健康监测的需求，可以实现相关采集软件的融合。在系统软件方面，由于施工监控与健康监测的目标不同，系统软件在功能需求上存在差异。在进行 2个系统设计时，对二者的系统软件进行综合设计，实现系统软件的融合。

3.4 传输方式及数据的融合

目前，传输方式总的来说分为有线传输和无线传输2种。由于有线传输方式受施工、运营条件转换的限制，实现二者的融合具有相当的难度。随着无线传感器及无线传输技术的发展，采用无线传输方案实现监控数据的采集，是实现桥梁施工监控与运营监测系统传输方式融合的有效解决手段。

由于受现场条件、环境因素、施工误差等不可预知的因素，结构的内力和变形在施工过程中是一个累积的过程，成桥后的结构状态不可能与设计完全一致，采用设计的成桥结构状态作为桥梁结构健康监测状态评估的初始状态是不合理的。桥梁施工监控贯穿于桥梁的整个建设过程，监测数据信息量，在剔除个别异常数据后能很好地反应桥梁结构的真实状况。施工监控与健康监测融合见图2。

4 沌口大桥全寿命安全监测系统

针对沌口大桥主桥跨度大，桥面宽，剪力滞效应明显，重车多，桥面易破坏，钢箱梁顶板易出现疲劳问题等特点，结合全寿命安全监测系统理念进行了系统的设计。

4.1 系统的总体结构

系统是由自动化传感测试子系统（包括传感器模块、自动化数据采集与传输模块、数据处理与控制模块）、数据库存储与管理子系统、电子化人工巡检子系统、结构预警与结构安全评估子系统、用户界面子系统5大子系统构成，见图3。

4.2 自动化传感测试子系统

通过结构有限元计算分析，把握结构监测重点，确定监测的内容和精度要求，为测点布置和优化提供依据，同时针对施工监控和健康监测进行顶层设计。主要从环境与荷载、位移、应力与索力、动力特性与振动响应四个方面进行监测，主要包括风力/风向、环境温度、塔顶变位、挠度、关键控制截面的应变、关键点的振动监测（桥梁固有特性、桥塔撞击监控、振动响应监控）、索结构的监测、交通流监测等。结构疲劳应力测点见图4。

挠度布置在边跨各跨跨中、次边跨四分点处、次边跨跨中、主跨十六分点和索塔处各布设1个挠度测点；为监测主梁的扭转效应，在主跨及边跨跨中上、下游侧布设1个测点，全桥共30个测点，见表1。

数据采集与传输方面，采用分布式测控技术，每个传感器均与智能调理器相连接，将传感器模拟信号或数字信号转换为符合国际标准协议的以太网信号。桥塔下横梁处设置桥位采集站，全桥共设置21个采集分站。系统组网示意图见图5。

4.3 状态的评估设计

安全评估以“前期重点关注结构易损件，中后期重点关注结构整体性能兼顾结构易损件”为总体原则，建立了一套以监测数据及结构力学模型分析为基础，变权综合层次分析法为核心的较成熟的评估方法和思路。主要针对结构的损伤识别、异常状态识别、性能发展趋势预测和整体结构安全性进行分析。主要分析方法包括：模型对比法、统计分析评估法、基于结构振动的评估方法、疲劳分析评估、综合层次分析法。损伤评估基于自动化监测和电子化人工巡检，总体评估技术方案见图6所示。基于监测系统的损伤识别是在基准状态的基础上采用模型对比法进行的，基于模型对比法可进行结构易损件的损伤识别及结构整体状态的损伤识别[3-9]。

5 结语

1）沌口大桥全寿命安全监测系统将施工监控、运营健康监测在软件、硬件、数据传输等方面进行融合，进而进行了顶层设计。从而节约了资源，更加系统化。

2）该系统将整个健康监测的时域从原来的运营期扩充到了桥梁的全寿命期，而桥梁的施工期间安全信息被证明对运营安全有巨大的影响，以成桥最终状态作为基准状态，能够获得桥梁结构的真实状态。因此，这种作法能够显著地提高系统安全评估的精度。

[1] 周文松.大跨度斜拉桥健康监测系统研究与应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005. ZHOU Wen-song.The research and application of large span cable-stayed bridge health monitoring system[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2005.

[2] 陆烨佳.斜拉桥结构运营期状态评级与安全评定方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012. LU Ye-jia.State rating and safety assessment for cable-stayed bridges in service[D].Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012.

[3]李惠，欧进萍.斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现（I）：系统设计[J].土木工程学报，2006，39（4）：39-44. LI Hui,OU Jin-ping.Design and implementation of health monitoring systems for cable-stayed bridges(I):design methods[J]. China Civil Engineering Journal,2006,39(4):39-44.

[4]郭彤，李爱群，李兆霞，等.大跨桥梁结构状态评估方法研究进展[J].东南大学学报：自然科学版，2004，34（5）：699-704. GUO Tong,LI Ai-qun,LI Zhao-xia,et al.Progress in condition assessment methods for long span bridges[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2004,34(5):699-704.

[5]袁万城，崔飞，张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J].同济大学学报：自然科学版，1999，27（2）：184-188. YUAN Wan-cheng,CUI Fei,ZHANG Qi-wei.Current research and development of structural health monitoring and condition assessment for bridges[J].Journal of Tongji University:Natural Science Edition,1999,27(2)：184-188.

[6] 陈国刚.二七长江大桥健康监测系统研究[J].中外公路，2014，34（1）：170-173. CHEN Guo-gang.The research of Erqi Yangtze River Bridge health monitoring system[J].Journal of China&Foreign Highway, 2014,34(1)：170-173.

[7]龙立敦，符锌砂.大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统研究与设计[J].铁道标准设计，2012（11）：58-62. LONG Li-dun,FU Xin-sha.Research and design on long span concrete cable-stayed bridge construction-operation integrated monitoring system[J].Railway Standard Design,2012(11):58-62.

[8]张通.大跨刚构-连续梁桥的全寿命性能监测与分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008. ZHANG Tong.Life-cycle performance monitoring and analysis of long span rigid frame-continuous beam bridges[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2008.

[9]许宏亮，唐亮.西堠门大桥及金塘大桥结构运营监测综合管理系统总体设计[J].公路，2008（9）：354-357. XU Hong-liang,TANG Liang.The structure operation monitoring and comprehensive management system overall design of Xihoumen Bridge and Jintang Bridge[J].Highway,2008(9):354-357.

Whole life safety monitoring system design of long-span cable-stayed bridge

WENG Fang-wen,ZHU Hao,ZHENG Jian-xin
（CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology, Ministry of Communications,Wuhan,Hubei 430040,China）

Relying on the main bridge of Zhuankou Changjiang River Highway Bridge and on the basis of analyzing the previous bridge health monitoring technology,we fused the construction monitoring and the health monitoring in hardware (sensor types and layout),software,transmission mode and data to make the whole life safety monitoring system of the bridge. This system combines the monitoring of construction and operation,from the top to carry on the design,greatly save the cost. This reference state of the operation is no longer based on the design of the bridge,directly to the final state of construction condition,can significantly improve the precision of the system safety assessment.The whole life safety monitoring system has certain guiding significance to the similar projects.

long-span cable-stayed bridge;whole life;safety monitoring

U445.57

A

2095-7874（2017）03-0048-05

10.7640/zggwjs201703010

2016-10-09

2016-12-01

中国交建科技研发项目（2012-ZJKJ-16）

翁方文（1985— ），男，湖北武汉市人，硕士研究生，工程师，主要从事桥梁施工监控及健康监测工作。E-mail：wengfangwen@163.com