基于结构功能需求的芜湖长江公路二桥健康监测系统设计与研究

胡可， 王佐才， 段大猷， 任伟新，3

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥230009；3.合肥工业大学，安徽省基础设施安全检测与监测工程实验室，安徽 合肥 230009)

0 前言

桥梁在使用过程中，不可避免地会产生结构和系统的损伤积累和抗力衰减，导致桥梁抵抗破坏能力下降，极端情况下会引发灾难性的突发事故[1]。为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，需对大跨度桥梁采用有效的手段监测和评定其安全状况[2,3]，即建立桥梁结构的健康监测系统。桥梁结构健康监测系统通过多种现代化的传感和信号采集处理手段，获取桥梁结构环境输入以及结构本身各种状态参量，进而对桥梁结构状态进行监测与评估，实时报告桥梁结构受力状况，损伤的发生及其位置、性状；当工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。桥梁结构健康监测系统已经成为一个热点研究方向，引起了国内外学者的广泛关注[4-8]。

美国最先在威斯康星州Michigan Street Bridge上安装了世界上第一套远程监测系统，可以实现对裂缝的发展状况和其他状态参数变化的监测[9]。英国对爱尔兰的Foyle桥在80年代安装了实时监测设备，以研究车辆、风及温度对大桥响应的影响。该系统作为安装较早且较为完整的监测系统之一，能做到对桥梁状态参数的实时监测、实时分析[10]。我国的李惠和欧进萍教授[11,12]提出了大跨斜拉桥健康监测系统的设计与实现，提出桥梁健康监测系统的总体设计原则、传感器优化布置方法、数据采集与传输系统的设计原则和方法等等。

此后，建立桥梁结构健康监测系统的典型桥梁还有挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉桥、美国的主跨440m的Sunshine Skyway Bridge、丹麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1624m的Great Belt East悬索桥、墨西哥的Tampico斜拉桥、英国的Flintshire独塔斜拉桥、加拿大的Confederation连续刚构桥、日本的明石海峡大桥、韩国的Seo-Hae斜拉桥、泰国的Rama 8桥（独塔斜拉桥）等。1997年通车的香港青马大桥，花费16,00万美元建立了桥梁健康监测系统，共安装了600多种各类传感器，包括加速度计、应变计、风速计、热电偶和GPS系统等，除青马大桥外，香港的另外2座大型斜拉桥Kap Shun Mun和Ting Kau桥上都安装了桥梁健康监测系统，3座桥梁的传感器总数达900个。我国内地自1997年起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如上海的徐浦大桥和卢浦大桥、江阴长江大桥等等。

本文针对芜湖长江公路二桥全漂浮式分肢柱式塔四索面分体式钢箱梁结构的特点，进行了结构解析和功能需求分析，确定了相应的效应监测指标以及具体监测项目。为了监测该桥的运营环境，确定了环境及荷载监测项目。提出了芜湖长江公路二桥健康监测的系统总体构架方案，确定了由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与控制子系统、健康状态评估与预警子系统、用户界面子系统和桥梁数字化管养系统组成的桥梁健康监测系统。

1 工程概况及结构特点

芜湖长江公路二桥是安徽省高速公路网规划“四纵八横”中的“纵二”组成部分，在交通路网规划中具有重要的地位。起点位于无为县的石涧，在矶头山过长江。芜湖长江公路二桥主桥跨径布置为（100+308+806+308+100）m全漂浮式分肢柱式塔四索面分离式钢箱梁斜拉桥。主塔基础采用直径39m的圆形承台，承台下设30根钻孔灌注桩。索塔采用独柱式结构形式，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座和下横梁，索塔总高262.48m。其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m。塔柱采用空心八面形断面，上塔柱为整体单箱单室，中塔和下塔柱为分肢箱型等高度截面。斜拉索为同截面回转拉索，抗拉标准强度为1860MPa，弹性模量为195000MPa。主梁为扁平弧形底板分离钢箱，正交异性桥面板，总宽度达53m。中线处梁高3.5m。53m宽主梁由双18m宽单箱和中间17m宽透空带组成，双边箱梁采用箱形横梁连接。

2.1 主梁结构体系特点

主桥通航孔由806m的主跨跨越，308m的边跨为备用通航孔，另设100m的协作跨，全桥满足通航净空、净宽要求。钢梁标准索距16m，塔上竖向标准索距2.5m。桥面纵坡为1.98%，其中主跨处于R=25000m的圆弧竖曲线上。主梁为分离式扁平流线形封闭钢箱梁，其中上翼缘为正交异性板结构。斜拉索采用强度为1860MPa的镀锌钢绞线。

钢箱梁按2个行车道方向分为两幅独立的箱梁，单幅箱梁两侧各设有斜拉索锚固点，斜拉索在塔端采用鞍座锚固系统，两幅箱梁之间间隔一个梁段设置横梁进行连接。

单幅箱梁在边墩、过渡墩处各设置1个双向滑动支座，支座规格分别为2000t和600t；在索塔处不设竖向支座，仅设置横向抗风支座和纵向带限位功能的粘滞阻尼器，单个索塔共有2×2=4个双向滑动支座，支座规格为500t。粘滞阻尼器对脉动风、刹车和地震引起的动荷载具有阻尼耗能作用，而对温度和汽车引起的缓慢位移无约束。当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移在阻尼器设计行程以内，不约束主梁运动；超出行程时，对主梁运动产生固定作用。一个塔梁固结处安装4个粘滞阻尼器，全桥共设8个。

2.2 主塔结构体系特点

主塔采用独柱形，包括上塔柱（包含上、中塔柱连接段）、中塔柱（包含中、下塔柱连接段）、塔座和下横梁，采用C50混凝土。塔柱顶高程264.48m，塔柱底中心高程5.00m，塔座底中心高程2.00m。塔索塔总高262.48m（含塔座）：其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m；中、下塔柱横桥向侧面的斜率为1/49.425，顺桥向侧面的斜率为1/74.137。索塔在桥面以上的高度为212.936m，高垮比为0.264，索塔底部截面尺寸为18.5×15m，顶部截面尺寸为8×8m。

塔柱采用空心八边形断面，上塔柱为整体单箱单室，尺寸由8.00×8.00m变化到12.37×10.914m，上塔柱壁厚度顺桥向为2.77～3.82m，横桥向厚度为2.03～3.6m。AW(AN)3-AW(AN)25、JW(AN)3-JW(AN)25号斜拉索主塔上采用鞍座锚固形式，AW(AN)2-AW(AN)3、JW(AN)2-JW(AN)3、AW1(JW1)号拉主塔上为齿板锚固形式。中下塔柱为分肢箱型等高度截面，截面高度为4m，每肢塔设电梯孔，电梯孔横桥向宽度为1.5m，为保证下塔柱能够抵抗船舶撞击力，下塔柱底部至标高17.5m的范围设横梁两分支塔连成整体型截面。

上塔柱荷载通过上、中塔柱连接段传到2个分肢，设置2道厚度3.0m的横隔板予以加强，在连接段上部设长2.15m，宽度5.8m的混凝土垫块用于支撑2～3号斜拉索锚块；隔板上设置2个混凝土锚墩用于1号斜拉索锚固，考虑此连接段受力复杂，在连接段范围内设置20根15.2-16环形预应力，预应力钢材采用预应力钢绞线。塔柱内侧在标高50.294m处设有主梁横向抗风支座，在桥塔横梁设置阻尼器垫石，并在相应的位置设置厚度为1m的横隔板。

2.3 斜拉索同向回转锚固体系特点

芜湖长江公路二桥斜拉索采用同向回转钢绞线斜拉索，梁上锚固间距16m，采用锚拉板锚固系统，塔上锚固为四索面双层同向回转拉索锚固体系。同向回转钢绞线斜拉索采用的是无粘结钢绞线拉索，通过同向回转拉索锚固方式，在桥塔上采用斜置鞍座锚固，斜拉索在鞍座中回转后在同侧穿出，再锚固在主梁同一截面上，形成一对同编号斜拉索。同向回转拉索锚固体系在桥塔内所占用的空间较小，不需内置大型钢构件，斜拉索在桥塔上以斜置方式锚固，拓展了传统鞍座的使用方式。桥塔斜置鞍座的安装和定位简单，穿索、换索安全性优势明显。

3 结构功能需求分析及响应监测指标

针对芜湖长江公路二桥的结构体系特点，将大桥解析为主梁结构体系、主塔结构体系及斜拉索同向回转锚固体系3个结构体系，分析各个结构体系的特征和功能需求，确定各个结构体系的监测测点及传感器布设。

3.1 主梁监测

主梁结构特点为：纵向全漂浮体系、宽度大、分幅布置、跨度大，活载作用下主梁跨中挠度为1023mm，约为中跨跨度的1/788；变形量大，且呈现三向位移及扭转特性。

针对桥梁变形大的功能需求特点，将对主梁的线形进行全面监测。主要的监测指标为主梁竖向挠度、主跨跨中空间位移。主梁竖向挠度采用连通管水准测量，测点均匀分布在全桥主梁上，监测主梁的竖向挠度；主跨跨中空间位移测点监测主跨跨中整个截面竖向、横向、纵向及扭转位移，其中竖向位移与连通管测点呈现冗余、互为校核。

3.1.1 主梁变形监测

主梁竖向挠度监测点设计为主跨四分点、边跨跨中及辅助墩墩顶，每幅箱梁测点14个，全桥共28个测点。为监测宽幅箱梁的扭转变形，在主跨跨中及1/4跨、3/4跨、边跨跨中横向布置4个测点。主梁竖向挠度监测测点布置如图1所示。

另外，为监测跨中的空间位移，在跨中布置GPS测点，横梁中部布置1个。GPS测点与连通管水准测量点在主跨跨中呈现冗余，互为校核。GPS测点与主塔塔顶空间位移测点联合组网，采用1个共同的基准点。主梁的变形测点汇总于表1所示。

图1 主梁竖向挠度监测测点布置

主梁竖向挠度监测测点布置汇总 表1

3.1.2 钢箱梁应变测点布置

芜湖二桥主梁为正交异性桥面板，主要的功能需求为钢桥面板的疲劳监测需求。针对可能发生疲劳破坏的特征，选择主跨跨中、塔梁交接处的3个钢箱梁截面作为应力监测断面。选择中间车道的中间桥面系作为监测区域。每幅箱梁7个U肋底板纵向测点，6个面板横向测点，共13个测点，监测区域涵盖1车道内侧一半宽度、2车道外侧一半宽度；每断面26个测点，全桥3个断面共78个测点。钢箱梁应变测点的断面布置如图2所示。

3.1.3 主梁振动监测

图2 断面应变测点布置

本桥的主要低阶振型有：纵漂、侧弯、竖弯、扭转。根据振动监测的需求，综合前十阶振型最大位移的位置，确定主梁的振动监测测点布设。主梁横向测点监测截面位置为：次边跨跨中，主跨四分点、主跨跨中共计5个横向振动测点。主梁的纵向振动测点为塔梁交接处及主跨跨中截面共计3个纵向振动测点。主梁竖向测点监测截面位置为：次边跨跨中、塔梁铰接处、主跨四分点、主梁跨中共计7个测试断面14个竖向振动测点。主梁振动测点布置如图3和表2所示。

图3 主梁振动测点布置

主梁振动测点汇总 表2

3.2 主塔监测

主塔是桥梁主要承重构件，桥梁所有的恒、活荷载均通过斜拉索将之传递至主塔，由主塔传输至基础。另外，由于在地震、风等荷载作用下，主塔的横向变位和变截面处的应力应变测量也是主塔监测的重要功能需求。因此，主塔的变形监测需求主要有塔顶空间位移、塔柱的垂直度、塔的关键截面应变监测。

3.2.1 塔顶空间位移监测

本桥主塔从承台以上高约260m，高度大、结构柔、运营期间塔顶变位大。倾斜仪测量结果为角度、不直观，且倾斜仪在活载激振下过于敏感，容易出现较多的异常值。GPS监测数据为三向位移，采用RTK方法可获得较高的精度，可满足本桥主塔的空间变位监测。全桥GPS站点设置采用移动和固定式配合设置，布置一个移动GPS站点，固定式GPS站点分别设置在主塔及主梁上，在Z3、Z4塔顶各布置一个GPS测点，主梁跨中布置一个GPS测点，见图4所示。

图4 塔顶空间位移测点布置图（图中包含了主梁跨中空间位移测点）

3.2.2 塔柱垂直度监测

单根塔柱总体上比传统的A型塔柱、倒Y型塔柱刚度偏小。采用倾角仪监测塔柱的偏角，通过拟合得到垂直度情况。本桥在下横梁处布置1个测点；上塔柱分叉处、中部及顶部各布置1个倾角测点；单塔柱布置4个双向倾角仪，全桥共8个双向倾角仪。塔柱垂直度倾角测点布置如图5所示。

图5 塔柱垂直度倾角测点布置

3.2.3 主塔应变监测

主塔应变是结构恒载受力状态的反应指标，健康监测系统部分继承施工监控期间的应变测点，测试结果包括了结构施工过程的应力值，是结构的绝对应力，监测主塔结构的绝对应力是结构状态评估的重要监测需求。因此，在施工过程中，就针对芜湖二桥塔的关键截面预埋了健康监测系统的传感元件。

根据结构的最不利分析结果，主塔应变监测断面确定为：上塔柱斜拉索锚固区、上中塔柱交接处、中下塔柱交接处。其中上塔柱斜拉索锚固区选择第4号和第10号斜拉索锚固断面，每断面布置2个竖向应变计，每个锚固体顶点各1个；斜向应变计6个，每个锚固体3个；按45°角分布，指向锚体圆心。每塔16个，全桥共32个测点。主塔应变监测断面如图6所示，令1/2跨与之对称。

图6 1/2跨主塔应变监测断面

上中塔柱交接处布置10个测点，其中应变花2处、共6个；竖向应力监测点4个。每塔10个测点，全桥共20个测点。断面内测点布置见下图所示。中、下塔柱交接处断面内布置4个测点，全桥8个测点。断面3、4为索鞍处结构应变监测。主塔应变测点布置如图7所示。

图7 主塔应变测点布置

3.3 斜拉索回转锚固体系监测

斜拉索为四索面同向回转索体系，其受力相对于双索面而言则更为复杂，四索面斜拉桥的关键问题之一是四索面索力分配是否均匀。内外侧索力分布不均匀，同截面索力的变化会导致钢横梁受力状态的变化，以及回转索的抗滑移性能，所以需要对斜拉索的索力进行监测。由于同向回转拉索体系的分丝夹持型鞍座是属于新型的锚索系统，需要对这种鞍座锚体的状态进行监测。

3.3.1 基于振动法的索力监测

通过索力与斜拉索振动频率关系，根据频率换算为斜拉索索力。斜拉索振动响应监测兼顾索力监测。全桥共设40个自动化索力监测点，测点布置如图8所示。

图8 斜拉索振动测点布置

3.3.2 同向回转锚固体系监测

该桥所采用的分丝夹持型鞍座是属于新型的锚索系统，需要对这种鞍座锚体的状态进行监测，鞍座工作性能监测包括应力、温湿度和视频监控3个部分。其中上塔柱斜拉索锚固区选择第4号和第10号斜拉索锚固断面，每断面布置2个竖向应变计，每个锚固体顶点各1个；斜向应变计6个，每个锚固体3个；按45°角分布，指向锚体圆心。每塔16个，全桥共32个测点。鞍座应力测点布置如图9所示。

图9 鞍座应力测点布置

直接裸露的工作面是分丝管内壁、线管内壁、外面及前导管的内壁，传感器探头布置在分丝管V型槽口的下端位置。探头布置的位置在鞍座出口20cm直线段范围内。传感器布置的位置在鞍座的中间区域，选用的鞍座编号为AN18左侧，AW18左侧，在这两个位置每个断面布置2个分丝管进行监测，共布置4个温湿度监测测点。

鞍座在出口位置钢绞线在分丝管内部处于微动磨损状态中，绞线在该位置处于连续的磨损状态，如果钢绞线的防腐层出现破损，将会在此位置损伤，因此需要对该位置钢绞线和鞍座分丝管的之间的工作状态进行监测。内视探头布置在靠近法兰盘的位置，可视范围在分丝管下侧、V型管底端、钢绞线和V型管接触点、钢绞线下侧位置。布置的位置选择在鞍座编号为AN18右侧、AW18右侧，在这2个位置每个断面布置4个分丝管进行监测，共布置8个内视测点。设备在管内的安放位置及可见区域如图10所示。

图10 内视探头的安装位置

4 环境及其它指标监测

4.1 结构温度监测

为了获得结构主梁和主塔温度场的分布，建立温度荷载模型，满足结构温度荷载监测需求，选择主跨跨中断面和Z3主塔断面，详细监测钢箱梁截面和主塔截面温度梯度分布。

箱梁断面的温度测试布置如图11所示。其中2个为有铺装测试断面3个为无铺装测试断面，有铺装测试断面布置有6个温度测点无铺装测试断面布置有5个温度测点，整个主跨跨中监测断面共54个温度测点。

图11 结构温度测点布置

主塔监测断面全断面布置温度测点24个，测点布置如图12所示。

图12 主塔结构温度测点布置

4.2 风速风向监测

风速风向监测主要满足风荷载监测需求，测点选择在桥面两侧、塔顶、拱顶，其安装位置尽可能地监测到自由场风速和风向。本桥在Z3、Z4塔顶各布置1个测点（双向风速监测），主跨跨中上、下游两侧各布置1个测点（三向风速监测），边跨跨中上、下游两侧各布置1个测点（三向风速监测），全桥共4个测点。

4.3 车辆荷载及其他监测

为满足桥梁车辆荷载监测需求，设计动态称重系统，选定在北引桥N278墩墩顶截面，该截面振动较小，混凝土结构铺装层内装有称重采集系统，车道上方装有抓拍系统，覆盖6道行车道。

大气温湿度监测与桥面风速风向测点同步布置、共用安装支架，在主跨跨中共1个测点。

箱梁温湿度监测选择边跨跨中、主跨跨中共3个断面，每个断面布置2个温湿度测点，监测箱梁内部温湿度情况，全桥共6个测点。

在2个主塔底部各安装1个强震仪，在北岸N278桥墩基础附近安装1个强震仪，全桥共3个强震仪测点；监测可能的船舶撞击、地震作用下的桥梁基础及地面震动情况。

5 健康监测系统及组成

5.1 自动化监测汇总

基于结构功能需求的芜湖长江公路二桥健康监测系统是一个高度集成化的健康监测系统，具有大量的自动化测点。所有监测测点布置总图及测点汇总表见图13及表3。

5.2 系统主要功能和组成

结合芜湖长江公路二桥本身结构功能需求，以及大桥预警、评估和管养决策方面的需求，芜湖长江公路二桥健康监测系统由下列6大子系统构成：传感器子系统；数据采集与传输子系统；数据管理与控制子系统；健康状态评估与预警子系统；用户界面子系统；桥梁数字化管养系统。

①传感器子系统用于监测芜湖长江公路二桥的荷载(包括环境因素)及响应，能够向健康状态评估与预警子系统提供数量和精度都满足要求的监测数据。

②数据采集与传输子系统对各类传感器的监测数据进行采集并将采集信号通过专用线缆(或光缆)或无线方式传送至采集站，为数据分析和安全评估提供数据支持。

③用户界面子系统通过该子系统实现将各种数据实时按需求向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。通过建立在监控中心监控服务器上的，基于B/S架构的一系列可视化软件组件，向监控中心现场操作人员以及授权的远程客户端用户提供友好的人机交互界面，实现便捷的系统控制、监测数据立体查询和在线分析。

图13 自动化测点布置总图

④数据管理与控制子系统由数据处理与存储服务器、现场采集计算机组成。子系统通过专用以太网和RS485总线进行数据传输、并控制安装在外场的数据采集模块和解调设备。对所有信号进行收集、处理、分析、显示、归档和存储，将经过处理和分析的数据发送到结构安全评估系统服务器，以进行结构安全状况评估和产生监测/评估报告。

自动化测点汇总表 表3

⑤健康状态评估与预警子系统通过荷载输入和结构响应数据对桥梁整体及关键部件的安全状况进行评估，判断结构是否处于正常使用极限状态内，是否即将达到或超越服役极限状态。对结构安全状态的重要变化及桥梁出现不安全征兆时进行预警，提供报警信号，提醒管养人员关注结构运营安全状况，及时进行维修养护，保障结构健康正常运行。

⑥桥梁数字化管养系统设计建立人工巡检养护管理子系统，为日后大桥长期运营过程中的巡检管养工作提供电子化数据接口和管养决策、计划指导。该系统的功能模块包括：巡检管养工作信息综合发布模块；系统管理模块；桥梁档案管理模块；基础信息管理模块；技术状况评估与决策模块；养护计划管理模块；养护维修管理模块；自动报告报表模块。

6 结 语

芜湖长江公路二桥发展了斜拉索回转锚固体系、分肢柱式塔和四索面分体式钢箱梁等一系列新技术。需要对该桥进行运营状态下的实时监测，获取桥梁健康状况的实时特征信息，提供大桥养护管理的技术依据，对桥梁的安全可靠性进行评估。通过对芜湖长江公路二桥的结构解析和功能需求分析，对桥梁的健康监测系统进行了设计与研究，得到的主要结论有：

①针对该桥的复杂结构，通过结构解析和功能需求，确定了分体式宽箱梁、分肢柱式塔以及同向回转斜拉索体系的三大桥梁结构特点；

②根据结构解析和功能需求分析，确定了桥梁重要结构部分、环境条件及其他因素的监测指标；

③基于结构功能需求的芜湖长江公路二桥健康监测系统监测的是结构的关键指标，减少了传感器的安装数量，同时，也可以为其长期安全稳定的运营提供有力保障。