京张高铁官厅水库特大桥健康监测系统设计

孟令强

（铁正检测科技有限公司 山东济南 250014）

1 引言

对桥梁结构进行健康监测就是采用现代化的传感传输技术、数据采集及处理技术和状态评估技术，利用在桥梁结构关键部位安装的各种类型的传感元件，监测桥梁在运营荷载、环境因素等共同作用的结构反应，按照事先确定的评估方法或限值要求，实时监测、实时预警、实时评估桥梁结构的健康状况，为桥梁的维修、养护及管理决策提供依据和指导。

桥梁健康监测系统的研究与应用最早始于上世纪末，且近些年来发展迅猛，随着桥梁建设规模的日益增长及桥梁结构形式的多样化及复杂化，桥梁健康监测系统已经成为国内外工程和学术研究的热点。其中张相玺、陈天艳等［1-2］开展桥梁施工阶段的变形与应力监测研究；何旭辉、苏木标、史康、杨柏林等［3-6］建立了普通铁路和高速铁路桥梁健康监测系统，桥梁类型包括简支梁、斜拉桥和中承式拱桥多种类型；而李爱群、朱永、侯立群、张少锦、江祥林、郑伟峰等［7-12］则在公路桥梁健康监测方面进行了深入研究；所有监测系统均能实现包括振动、应力应变、挠度、环境等参数的监测。既有研究主要集中在既有铁路和高铁斜拉桥、悬索桥等方面，针对采用顶推拖拉施工的钢桁梁拱桥的健康监测还处于空白。为此，本文基于“先进维护”目的，针对京张高铁官厅水库特大桥8-108 m简支钢桁梁拱桥这一特殊结构形式，开展健康监测系统设计研究，准确指导后续现场监测系统的安装与使用，并为今后类似工程提供借鉴。

2 工程概况

官厅水库特大桥是京张高铁的关键控制工程，设计速度350 km／h，ZK活载，主桥采用8-108 m简支拱型钢桁梁结构形式，主桁上弦采用变高度桁式，近似拱型；单孔钢桁梁拱桥计算跨径108.0 m，全长109.7 m，中间桁高19.0 m，节间长10.8 m，横桥向支座中心距为13.80 m，钢桥面板桥面系，有砟轨道，道砟槽板厚20 cm。桥梁设计为双线，桥梁平面位于直线上，纵断位于2.0‰的上坡段和-2.0‰的下坡段，竖曲线半径25 000 m。钢支座，主引桥过渡墩采用分离式墩身，在两侧引桥混凝土箱梁与主桥钢梁之间设置阻尼器。大桥施工采用顶推拖拉施工。

大桥主桁杆件及钢桥面板采用Q370qE钢，上平纵联杆件及桥门架、中间横联杆件采用Q345qE钢，主桁弦杆均采用箱形截面，各板件设板式加劲肋。主桁上、下弦杆节点均采用整体节点形式，四面拼接方式，杆件连接采用高强螺栓连接和焊接连接方式，均在工地现场完成。横梁上缘设置2%人字坡，梁端腹板高为1 500 mm，均采用倒T型截面，端支点处设置端支点横梁，其他节点处设节点横梁。钢桁梁联结系由桥门架、平联和交叉形上平纵联共同构成。图1为建设中的大桥实景。

图1 建设中的大桥实景

作为我国第一座采用顶推拖拉施工的高速铁路大跨度钢桁梁拱桥，京张铁路官厅水库特大桥具有典型特点，主要包括：（1）全新结构，超大跨度钢桁梁拱桥、近似拱形结构、超大荷载，受力情况复杂；（2）全新工艺，顶推拖拉施工、现场拼装与防护；（3）复杂环境，地震效应大、温度多变、风力作用明显、潮湿易腐蚀。官厅水库特大桥的关键地位和典型结构特点决定了大桥建成后的养护管理面临巨大挑战，大桥在运营过程中，在荷载持续作用、环境侵蚀、疲劳效应和其他各种因素耦合作用下不可避免会出现结构累计损伤和承载能力下降，为确保结构安全和实时掌握结构状态，针对大桥建立长期健康监测系统十分必要。

3 监测系统总体构架

3.1 设计原则

大跨度桥梁健康监测系统是一个集检测技术、计算机技术、信息处理技术和评估技术等于一体的复杂系统，系统采用各种先进技术和手段对桥梁结构状态进行实时监测与实时评估，以达到保障安全的目的。我国目前已经建立了大量的桥梁健康监测系统，既有系统多数以保障结构安全和运营安全为主要目的，而京张高铁是我国修建的第一条绿色智能高铁，在进行大桥监测系统设计时必须要依据必要、可靠、先进与经济相结合的原则。

必要性是指系统监测内容必须能够反映桥梁结构承载能力和使用条件变化，满足列车安全运营需求，同时还需兼顾日常维管需求；可靠性是指监测系统的硬件设备必须精确可靠、抗干扰能力强、耐久性好，具有长期的可靠性和稳定性，同时软件系统需满足易于操作使用和易扩展等功能要求；先进性是指监测系统需利用先进的传感传输技术、信息处理与统计技术；经济性是指在满足监测要求的前提下，尽可能降低成本。

3.2 总体构架

官厅水库特大桥健康监测系统将数值仿真技术、传感传输技术、信息通讯技术、数据库管理技术和统计分析技术综合为一体，共同构成监测系统的总体构架。大桥监测系统主要包括传感传输子系统、数据采集子系统、数据管理及分析子系统和状态评估子系统。硬件设备主要为各种类型传感器、信号调理设备、采集设备、数据传输及存储设备、服务器等。图2为监测系统总体构架。

图2 监测系统总体构架

4 监测系统设计

4.1 监测内容

官厅水库特大桥为钢桁梁拱桥结构形式，影响结构安全和运营安全的结构强度、刚度和稳定性是重点监测内容，且钢结构疲劳问题是大桥的主要损伤模式，而多变的环境条件对结构的影响也不容忽视，因此，基于以上特点，确定大桥的监测内容为：（1）环境变量，风及温湿度变化；（2）力学性能，应力、挠度、疲劳等；（3）使用条件，振幅、加速度、振型、阻尼等。

4.2 监测方法

（1）应力及温度、风速风向监测

采用表面黏贴式应变传感器进行监测，安装在杆件表面，采样频率为100.0 Hz，采集方式为触发采样，由列车信息和关键参数双重触发。采用JMWS-1D温湿度传感器对温湿度测点的温度变化情况进行实时监测，采用JMZX-1I风速风向采集仪对桥址处的风速风向变化情况进行实时监测。根据季节变化，每天选择温度最低的时间和温度最高的时间（例如早晨太阳升起前1 h和下午14：00～15：00之间）触发数据采集系统监测与温度相关的物理量的变化情况，采样时间持续200 s；同时监测环境湿度。

将钢梁 E5A5、E4′A5、E3′A3′、E2′A3′、E5E4′、E3′E2′杆件作为桥梁应力（温度）控制杆件，分别对各个杆件应力（温度）进行监测，E5A5、E4′A5、E3′A3′、E2′A3′、E5E4′、E3′E2′杆件各布置 4个传感器。桥梁结构的应力监测是通过对应变监测间接实现，主要监测桥梁结构关键截面的受力情况，以了解结构的长期或瞬态的受力情况。应力（应变）测点左右幅对称布置，如图3所示。

图3 应力（温度）测点布置

监测结果需绘出各测点温度随时间的变化曲线，并给出最高温度和最低温度时对应的被测响应量的最大值和最小值。记录相对湿度大于60%情况的延续时间及其随季节的变化规律。对于应力测点，每24 h作一次数据分析，找出每次采样过程中各测点的最大应变值及其发生的时间，绘出其应力时程曲线，找出并记录各曲线中的最大值，统计出各曲线中不同应力幅值所对应的循环次数，并间接给出列车轴重的变化规律，每月对这些测点统计出“应力幅值-循环次数”直方图，每半年作出这些测点的应力谱。

（2）挠度监测

采用连通管监测主桁竖向挠度；采样频率为20.0 Hz，挠度监测数据采集由列车到达和温度监测结果自动触发。如果某测点挠度超限，将及时发出报警信息。测点布设在下弦杆E5节点处，基准点布设在墩顶位置。测点、基准点左右幅对称布置，如图4所示。

在进行数据分析时，每天完成一次完整的数据分析，主要包括各测点挠度曲线的极值等特征值统计分析，并根据各挠度数据计算出各关键截面的扭转变化和动挠度动力系数。后台程序中通过各特征值判断是否保存对应的时程曲线，需要保存的时程曲线同时给出相应的环境参数和荷载情况，不保存数据直接删除。

图4 挠度测点布置

（3）振动监测

采用JMCZ-2091加速度传感器进行实时监测。采样频率为100.0 Hz，采集方式为触发采样，由列车信息和关键参数双重触发。如果某测点的振动位移幅值超过限值，将及时发出报警信息。在具体布置时，竖向振动位移测点为左右幅下弦E2、E5、E2′节点各1个；横向振动位移测点为左幅下弦E2、E5、E2′节点各 1个，右幅上弦 A2、A5、A2′节点各1个。横、竖向振动测点合计12个，如图5所示。横向和竖向加速度测点布设在钢桁梁桥下弦杆E5节点处，左右对称布置，共布设4个测点。

图5 振动测点布置

与挠度数据一致，同样每天完成一次完整的数据分析，主要包括各振动时程曲线的极值、阻尼比、自振频率等特征值，根据特征值大小判断是否保存对应测试结果，对应保存相应的环境参数和荷载情况。另外，每天固定时间采集一次桥上无车时桥梁振动情况，分析得到相应的桥梁自振特性参数，并将当天的结果与前一天的分析结果进行比较，如果两组结果差别较大，或当超过设计规范要求时，应发出预警预报信息。

4.3 数采系统设计

现场数采系统采用先进的自动化无线采集系统，由信号调理放大设备、采集模块、网络采集仪、无线发射模块、软件系统及各相关配件共同组成。现场的采集模块（MCU）由可配接弦式传感器、电感调频类传感器、总线型传感器构成，系统采用全密封设计，防水防潮、防雷击，其分布式结构可任意组成8～2 000点的测量系统。数采系统结构如图6所示。

图6 数采系统结构

数据管理采用C／S结构和B／S结构相互结合的方式进行，实现监测数采系统大容量数据的网上发布，特别是波形数据的远程实时浏览、显示和处理，方便远程用户进行数据分析、查询。

4.4 状态评估

建立监测系统的最终目的就是对大桥状态进行评估，因此，在进行监测系统设计时，需要在完成各种响应参量监测数据分析处理的基础上对桥梁病害、损伤情况和结构整体性能进行评估。健康状态评估包括以下方面：

（1）建立分级预警机制：系统采用提醒、警告和报警三级预警制度，当监测到各响应量的数值均在通常值范围内，表示结构健康状态正常；当监测到某响应量的数值大于通常值，但尚未超过规范允许的限值，系统发出提醒信息；当监测到某响应量已超出规范允许的限值，但尚不能肯定是否危及运营安全，系统发出警告信息。

（2）桥梁结构各种被测响应量随时间变化的趋势分析：根据长期健康监测数采结果，对桥梁结构的各种被测响应量，以时间作为横坐标，响应量数值为纵坐标，采用统计分析的方法可得到各种被测响应量随时间变化的趋势图。通过此趋势图可以了解到结构性能的变化状况，并且在一定程度上预测病害损伤发生、发展的趋势。

（3）桥梁结构状态评估与病害损伤预测：首先，根据桥梁监测数据，结合现有规范和仿真分析结果，科学评估桥梁现有状态，为后续养护维修提供帮助。其次，深入分析研究结构响应随时间、环境和荷载等变化而变化的规律，根据变化规律分别建立桥梁病害损伤诊断和桥梁健康状态评估的预测分析模型，输入预期的环境及荷载的变化量，预测结构响应的变化规律和结构远期状态。

5 结论

本文针对京张高铁官厅水库特大桥开展了长期健康监测系统设计研究，主要结论如下：

（1）大桥监测系统由传感传输子系统、数据采集子系统、数据管理及分析子系统和状态评估子系统四部分构成，可以实现包括应力、挠度、振幅、加速度、风力、温度等多项参数的实时监测、实时处理和实时预警，并对结构健康状况进行科学评估。

（2）相比较常规大型桥梁健康监测系统而言，官厅水库特大桥健康监测系统具有体量小、针对性强、技术先进等优点，并且系统融合了云计算、无线传输和大数据处理等技术于一体，最大程度解决了高速铁路桥梁监测中存在的人为干涉过多和存储空间不足问题，为今后类似工程监测提供了新的途径。