堡子坪大桥结构健康监测技术方案

韦卫

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 概述

1.1 项目工程背景

堡子坪大桥位于G312上海至霍尔果斯安定段，中心桩号K2048+059。堡子坪大桥属于T形钢构组合梁，是国道312定西段重要的交通运输桥梁。堡子坪大桥立面照如图1所示，平面照如图2所示。

图1 堡子坪大桥立面照

图2 堡子坪大桥平面照

在桥梁设计、建造、运营、养护维修的整个生命周期内，桥梁不可避免地会因各类因素影响或共同作用而产生缺陷或病害，甚至部分桥梁在交通或者环境的偶发作用下会出现突发的桥梁灾难性事件。

根据交通运输部（交公路发〔2007〕336号文件）关于印发《公路桥梁养护管理工作制度》的通知要求，堡子坪大桥桥梁的结构安全监管系统需要将实时监管技术与制度化、专业化的人工巡检（包括检测）机制相结合，“由内而外、由表及里”地全面监管结构的运营使用状态，为制定针对性、高效性与及时性的养护维修方案措施提供辅助决策依据。

方案针对堡子坪大桥的运营环境特点以及桥梁结构的受力特点，将结构面临的危险源划分为结构损伤和结构状态的不利性改变两大类，并根据当前科学技术水平提出针对不同危险源情况的监测和巡检养护手段策略，针对性地服务于桥梁百年的运营管养。

（1）拱桥结构状态的不利性改变主要通过自动化传感测试子系统进行代表性结构构件的监测，监管目标是根据监测及加载计算推断全桥类似结构的安全承载能力，重在对桥梁结构整体或局部受力及状态变化的掌控。

（2）养管人员可到达的桥梁构件内外表面在结构运营期内不可避免地将出现表观损伤，则主要通过电子化人工巡检子系统在基于风险管理的基础上目标性巡查可视的损伤或病害，重在按巡检养护软件上分解的结构各构件既定的巡检程序和设定的巡检内容，有计划地检查并规范、标准地记录桥梁构件、非结构物（附属构造）以及附属设施的表观损伤或病害，监管目标是保障其能够得到及时、经济、合理的维护和维修。

堡子坪大桥巡检（检测）与监测技术[1]结合如图3所示。

图3 巡检（检测）、监测技术结合

1.2 总体思路

1.2.1 相关标准

设计主要参照以下标准：大桥设计说明书、大桥主桥设计图册、《结构健康监测系统设计标准》（CECS333—2012）。

1.2.2 总体思路

针对上述背景及设计方案，建立一个长期的在线监测预警系统，对桥梁进行实时长期监测，并及时预警。

该系统以带有操作系统功能的系统操作软件为平台，以数据管理系统为核心，以在线传感器[2]系统、数据采集和传输系统和状态评估系统、远程信息查询系统、管理应用系统为外围应用功能，具有良好的适应性、可扩展性、兼容性、可靠性、容错性和易操作性的开放式模块化构架。

该监测预警系统具备的主要功能如下：主桥两端伸缩位移监测、结构应力监测、结构温度监测、动力特性监测、钢混结构裂缝监测、主梁整体挠度监测、视频监控、结构安全档案管理、用户访问支持与控制。

1.2.3 总体目标

堡子坪大桥结构安全监测巡检管理系统（PuzipingBridgestructuresafetymonitoringandinspectionmanagementsystem，以下简称“PBSMAIMS系统”）的设计及实施工作，力求利用当代传感测试技术、风险管理技术、计算机科学技术、光电子信息技术、桥梁计算分析技术等最新科技成果构建堡子坪大桥运营期结构健康监测系统。通过该系统的使用，尽可能达到并延长设计期许的桥梁安全使用寿命，系统预达如下目标：

（1）坚持以“全寿命周期内的监管养护”为目标，针对性地建立堡子坪大桥的数字化、信息化档案，服务于堡子坪大桥运营期的监管养护工作。

（2）定制并规范桥梁全寿命期的养护维修，力求进行主动管养，辅助大桥管养者制定预防性、高效、经济、合理的养护措施，降低桥梁灾难性事故发生的概率，努力达到桥梁结构的设计基准寿命。

（3）及时“感知桥梁”，尽早发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警；有效地监管运营期桥梁的结构使用状态及其发展趋势。

（4）收集桥梁自然及运营环境、结构响应参数，为类似结构设计、建设、养护技术的可持续发展以及桥梁安全监测国家及行业规范或标准的制定提供技术支撑和参考依据。

2 堡子坪大桥健康监测方案

2.1 监测内容及监测点位布置

根据堡子坪大桥结构分析结果，健康监测项目主要包括两端伸缩位移、结构应力、结构温度、动力特性、裂缝和主梁整体挠度监测。设计方案选用拉线式位移计、表面应变计、温度传感器、加速度计、拉杆式位移计和静力水准对上述力学物理参数进行实时在线监测。传感器布置方案如图4和图5所示。

图4 传感器布置示意图

图5 监测点安装位置示意图

2.2 监测方案

（1）桥梁挠度监测[3]。在西侧桥头水平参考点处安装一套光纤光栅式静力水准仪，作为桥梁挠度的参考点；在桥梁的第一跨3/4断面、第二跨1/3及2/3断面、第三跨3/4断面、第四跨端部分别安装一套光纤光栅式静力水准仪，作为挠度监测传感器。

（2）桥梁应变和温度监测。在桥梁第一跨3/4断面、第二跨中、第三跨3/4断面处分别安装4套表面式应变计,应变传感器用来监测桥梁应变变化情况。在应变传感器相同位置安装相同数量的温度传感器作为温度补偿。

（3）主桥两端伸缩位移监测。在桥梁东西两侧即第一跨和第三跨两端与引桥交界处分别安装一套光纤光栅拉线式位移计。

（4）桥梁动力特性监测。在桥梁的1号桥墩、2号桥墩与主梁结合处共布设6个光纤光栅式加速度计，监测桥梁的动态特性。

（5）桥梁裂缝监测。在1号桥墩墩顶箱梁内、2号桥墩墩顶箱梁内和跨中出现裂缝的位置安装光纤光栅式拉杆位移计，该位移传感器可以监测裂缝的变化状况。

（6）桥梁视频监控。为保证桥梁运行安全，在桥梁北端安装夜视红外摄像机进行车辆识别、图像保存。

3 桥梁健康监测总体架构

桥梁健康监测总体架构如图6所示。

图6 监测系统总体框架

3.1 光纤光栅传感系统

系统主要由光纤光栅解调仪、现场光纤光栅传感器、传输光缆、软件组成。

3.2 数据解调系统

3.2.1 数据采集管理系统

现场所有监测传感器在同一个截面的串联在一根光缆上，所有截面的光缆并联到传输主缆上，采用一台光纤光栅解调仪，用于现场应变、温度、挠度、裂缝开合度、两端伸缩、振动的实时监测，光纤光栅解调仪布置在北头箱梁内部。桥梁数据管理、分析功能为桥梁整体情况提供可靠数据，并给出维护依据。桥梁结构参数可实时在线监测、显示，方便不同用户查看；具有预警、报警功能，可及时维护桥梁，减少不必要的安全事故与损失；故障自诊断，链路、传感器故障及位置均可自检，及时查出与更换损坏设备，避免漏检；可实现技术人员桥梁现场检查与监测。

3.2.2 数据传输分析系统

现场光纤光栅传感系统采用光缆传输，传感器通过光纤接入现场光纤光栅解调仪。光纤光栅解调仪监测到的数据以及视频图像通过运营商的光纤网络发送到远端的监控中心服务器。

数据分析系统由云服务器、数据采集分析软件和支持大数据存储的数据库构成，数据采集分析软件负责向前端采集系统发送数据采集命令并接收前端采集系统发回的数据，对接收到的数据进行处理后写入数据库，并依据预设的阈值对接收的数据进行实时分析，对异常数据进行告警。云数据中心采用大数据架构搭建，能容纳海量数据的存储，并能进行大数据分析。

系统特点：本系统完整，符合结构监测行业标准；采用先进的光纤光栅结构监测技术，实现现场结构监测子系统所有参数统一设备采集，单系统可接几百个传感器；距离集中测量与分散测量两相宜，可实现20km远传输，避免系统分散；光纤光栅技术性能稳定、寿命长，抗电磁干扰，避免系统短期瘫痪，发挥长期监测效益；软件系统可以满足现场监测、无线远传。

4 健康监测[4]平台

健康监测平台由前端数据采集系统、网络传输系统、云数据中心、监测预警客户端四大部分构成。平台整体架构如图7所示。

（1）前端数据采集系统。由一系列能准确测量桥梁结构土力学参数的测量传感器及相应的电源、避雷装置、机箱、电缆等设备构成。

（2）网络传输系统。现场采用无线通信技术将采集系统的数据实时传回到数据中心，网络传输系统同时兼容三大运营商3G/4G网络，传输速率快，可保证数据的实时传输。

（3）监测预警客户端。包含PC客户端、平板电脑客户端和手机客户端，客户端提供系统管理与配置、数据浏览与查询、数据可视化、监测报警等功能，也可实现不同桥梁结构的分级管理。

5 运行维护设计

数据的维护指对后台数据库的维护，主要包括监视数据库的运行、数据一致性检查、磁盘空间检查、数据备份和恢复等。有效的运行维护是保证系统建成后能切实发挥效用的重要保障措施，加强对运行设备的定期和不定期检查和维护，发现缺陷及时处理，并登记在册。

图7 系统整体架构

6 结语

堡子坪大桥结构健康监测技术以带有操作系统功能的系统操作软件为平台，以数据管理系统为核心，以在线传感器系统、数据采集和传输系统、状态评估系统、远程信息查询系统、管理应用系统为外围应用功能，具有拥有良好的适应性、可扩展性、兼容性、容错性和易操作性的开放式模块化构架。建立一个长期的在线监测预警系统，对桥梁进行实时长期监测，并及时预警，为相关工程提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]余波,邱洪兴,王浩,等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].地震工程与工程振动，2009，29（4）：170-177.

[2]孙田甜.桥梁健康监测传感器的优化配置方法研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[3]王磊.大型桥梁健康监测中挠度测量技术研究[D].南京：东南大学，2006.

[4]胡军.荆岳大桥结构健康监测系统研究及应用[D].武汉：武汉理工大学，2012.