西北地区某非对称斜拉桥健康监测系统设计

李万会

甘肃铁科建设工程咨询有限公司，甘肃兰州 730000

1 工程概况

西北地区某非对称斜拉桥桥梁总长240m，宽40m。是一座独塔双索面组合梁斜拉桥，跨径布置为155m+45m+40m。其中，辅跨45+40m，为预应力混凝土结构，主跨长155m，为钢箱梁，梁高均为3m；采用双索面，扇形布置，每侧索面共有12对，全桥共48根斜拉索。斜拉索顺桥向间距为10m （钢梁侧） 和5m （混凝土梁侧） 。

2 设计目标

通过组建一个实用、可行的监测系统，并在其基础上建立一个集数据采集、处理分析、状态评估以及预报警等功能于一体的综合健康监测系统以实现以下目标：

（1） 通过车辆监测监控，掌握运营过程中，桥面车流量、车速等交通荷载信息；

（2） 通过桥梁静力响应监测监控，掌握大桥实际力学行为特征和使用状况，并为分析其长期变化趋势提供数据支持；

（3） 通过对桥梁结构动力响应的监测监控，掌握结构运营期振动水平以及结构整体刚度，为判断结构正常使用状况和整体力学状况提供依据；

（4） 通过几何和力学参数的连续监测监控，记录大桥可能经历的重大荷载及事故历程，并判断大桥是否因此出现损伤或运营状况异常；

（5） 建立科学有效的自动化结构状态预警及安全评估机制和软件系统，根据监测监控数据及时对异常结构响应实施预警报警，为桥梁管养决策提供技术支撑。

3 监测系统内容及传感器布设

3.1 监测系统内容

西北地区某非对称斜拉桥结构健康监测系统的内容主要是根据大桥自身的结构特点，综合考虑大桥所处的环境和当前的结构状况来设计，具体如下：

（1） 环境荷载监测：风荷载和环境温湿度监测；

（2） 桥梁温度场监测：主梁和主塔的控制截面结构温度分布；

（3） 交通荷载监测：桥梁的车辆荷载及交通状况监测；

（4） 桥梁应变监测：主梁及主塔控制截面的应力；

（5） 桥梁振动监测：监测主梁和主塔结构振动及其动力特性；

（6） 空间位移监测：主梁竖向和横向位移、主梁的扭转位移，主塔塔顶偏位；

（7） 索力监测：监测拉索的索力及其变化。

3.2 监测系统硬件总体架构

系统硬件总体架构如图1所示。

图1 系统硬件总体架构

3.3 监测系统软件总体架构

该桥结构健康监测系统为分布式监控系统，所有系统功能的实现与系统的软件结构密切相关。监控系统中各种传感器的采集数据都将作为后续结构健康评价的基础数据进行综合分析，因此虽然各系统从功能和结构上而言是分布建立的，但其整个系统的所有软件必须作为一个有机的整体进行设计、匹配和调试。整体软件架构如图2所示。

图2 系统软件总体架构图

4 传感器的布设

根据该桥内力包络图并结合规范要求以及桥梁的实际情况，传感器测点布置如图3所示，监测仪器设备见表1。

图3 主桥健康监测系统测点示意图

表1 自动化数据采集监测传感器设备

5 结语

大跨桥梁健康监测对于我国西北地区来说是一个全新的研究领域；同时，桥梁健康监测系统的设计即囊括了桥梁结构分析、传感器技术，也涉及到网络工程、数据库系统、信息技术等多方面的理论技术。健康监测过程中所得到的数据对于桥梁的运营和养护工作具有指导作用，它能够显示桥梁结构病害所在的位置，对桥梁超重、梁体倾斜、结构内力、挠度等重大事件进行预警，尤其能对一些传统的监测方法无法到达的部位进行监测，保证桥梁结构的正常使用。该桥作为西北地区的一个标志性建筑，健康监测系统的设计力求做到综合考虑各方面的影响因素，为管理者提供更准确地数据指标以维护大桥的正常运营。