大跨度斜拉桥结构健康监测系统研究与设计

朱小忠

(福建省交设工程试验检测有限公司，福州 350007)

处于我国经济腾飞时期建设的桥梁， 不论是公路系统还是市政系统，多数桥梁处于“只建不养或养护管理不到位”或“无人值守”状态，导致出现主体结构坍塌，拉索锈蚀突发断裂等一系列桥梁灾害， 后期基本处于被动检测维修加固的局面。 截至2016 年，我国已修建的公路桥梁多达80.53 万座，其中特大桥4257 座，大跨度桥梁的管养工作任重而道远。

桥梁运营期的安全监测是桥梁管养工作的重要内容，桥梁健康监测系统(Bridge Health Monitoring System)普遍应用于大跨度桥梁结构， 大桥在建设初期便可构建健康监测系统，通过健康监测系统，利用收集到的特定信息，对结构服役状态进行安全监测，能科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作[1]。当前国内的桥梁结构健康监测系统构建仍处于探索及尝试阶段， 该系统的构建涉及许多不同的领域，如传感器技术、结构计算、计算机技术、通讯集成技术等。本文以福州绕城高速公路长门特大桥为例， 依据建设单位对桥梁建设初期及后期管养的需求，对该桥健康监测系统进行设计。本文设计了健康监测系统涉及的传感器子系统、 数据采集与传输子系统、数据处理子系统、安全评估子系统，并结合人工巡检数据综合评估系统的逻辑和可行性。

1 桥梁概况

长门特大桥是福州绕城高速公路东南段工程项目中重要控制性工程，跨越闽江，是一座(35+44+66)m+550 m+(66+44+35)m 双塔双索面混合梁斜拉桥，边跨采用混凝土箱梁，中跨采用钢箱梁，桥面宽度38.5 m，该桥斜拉索共136 根，塔柱采用花瓶型桥塔，桥梁跨径布置如图1。

2 健康监测系统设计方案

2.1 设计原则

大跨度斜拉桥的健康监测系统设计，宜采用“经济实用、性能可靠、科学合理、兼顾科研”的指导思想：

图1 长门特大桥桥跨布置图(单位：cm)

(1)面向特大型桥梁养护和运营管理需要，兼顾混合梁斜拉桥科研需求等方面因素；

(2)根据大桥结构易损性分析，选择结构易损重点部位及日常养护难于检查部位进行监测测点布置；

(3)监测内容与监测参数的选择，要从结构状态评估的需要和运营养护管理需求出发， 为未来进行状态识别和结构安全评估做技术准备；

(4) 采用周期监测和定期人工巡检相结合的方法，节约成本，科学高效[2]。

2.2 监测内容分析

长门特大桥为福建海洋地区少有的大跨径斜拉桥，且属交通要道， 在桥梁运营管养过程中的主要存在以下几方面的风险：①台风，②地震，③车辆超载，④斜拉索断裂及腐蚀，⑤钢桥面板疲劳破坏，⑥主梁线形变化，⑦航道船撞。

对桥梁耐久性及安全性进行监测的前提是合理选择监测项目，桥梁健康监测项目主要包括环境、荷载、桥梁关键结构内力、 关键控制截面变形、 结构动力特性等参数，对于大跨度混合梁斜拉桥而言，桥跨结构体系相对复杂， 健康监测内容的确定需要建立在结构构件的传力特性和受力状态分析的基础上。

国内目前已建成使用的大桥健康监测系统所选择的监测项目大致相同， 表1 为面向管养的监测参数向导一览表以供参考。

表1 监测项目向导一览表

2.3 系统组成

桥梁健康监测系统由安装在桥梁上的传感器以及数据采集与传输、数据处理与管理等软硬件构成，对桥梁的荷载与环境作用以及桥梁结构性能参数进行测量、收集、处理、分析，并对桥梁结构正常使用水平与安全状态进行评估和预警[3]。

(1)传感测试子系统包括3 大模块：①传感器模块。通过传感器将各类监测信号转换为电(光)信号。②数据采集与传输模块。 将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。③数据处理与控制模块。 将监测信号进行预处理，以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序控制监测参数的采集。

(2)中心数据库子系统：各子系统数据的支撑系统，完成数据的归档、查询、存储等工作。

(3)用户界面子系统：将各种数据向用户展示，并接受用户对系统的控制与输入。

(4)结构安全预警子系统：主要功能是通过监测桥梁结构环境参数及桥梁结构响应， 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，保障结构安全正常运行。

2.4 工作流程

桥梁结构安全监测系统是一个系统工程， 其工作流程示意如图2 所示：

图2 结构监测系统工作流程示意

3 监测系统总体设计

3.1 监测内容

长门特大桥为双塔双索面混合梁斜拉桥， 边跨采用混凝土箱梁，中跨采用钢箱梁，斜拉索共136 根，采用空间扇形双索面布置形式，南、北塔两侧各17 对索。通过对长门特大桥结构受力及地理环境的分析， 初步确定其安全监测内容如表2 所示：

3.2 传感器设计

传感器的性能参数， 应符合行业的一般要求及主流设备的性能，对于桥梁健康监测系统，传感器设备的使用寿命一般要求在20～30 年。 长门特大桥监测系统传感器的设计见表3：

表2 长门特大桥监测项目一览表

表3 长门特大桥监测系统传感器设备

3.3 传感器的布置原则

(1)布置在反映结构受力最不利位置处；

(2)传感器安装位置宜具备便于安装或更换条件；

(3)合理利用结构的对称性原则，达到减少传感器的目的；

(4)应兼顾传感器的稳定性和可靠性，因此传感器的布置应有一定冗余；

(5)应对已安装的传感器采取保护措施，使其不受温湿度、雷击及干扰源(电源、电磁)等环境因素的影响而出现损坏现象。

3.4 测点布置方案

(1)风速监测：选择在索塔顶布设1 台机械风速仪和在主跨跨中桥面布设1 台三向超声风速仪(图3 左)。

(2)温湿度监测：选择在北索塔上部塔横梁布设2 个、南索塔上部塔横梁2 个、主跨北侧主梁1 个、主跨南侧主1 个、主跨跨中2 个温湿度仪(图3 右)。

图3 机械式风速仪、温湿度仪

(3)腐蚀监测：选择索塔处桥墩位置进行混凝土耐久性腐蚀进程监测，分别在南、北两侧索塔处桥墩墩台布设1 个腐蚀计。

(4)雨量监测：在主梁跨中位置布设一台雨量计。

(5)地震及船舶监测：选择在南、北侧索塔承台顶部布设1 台三向加速度计。

(6)结构温度监测：选择在钢箱梁跨中截面、北侧主跨钢箱梁截面、南侧主跨混凝土箱梁截面、南侧边跨混凝土箱梁截面分别布设16 个光纤光栅温度计。

(7)结构应变监测：选择在钢箱梁跨中截面、北侧主跨钢箱梁截面、南侧主跨混凝土箱梁截面、南侧边跨混凝土箱梁截面分别布设16 个光纤光栅应变计(图4)。

图4 光纤光栅应变计

(8)两端位移监测：选择在主桥两侧端部位置分别布设4 个位移计。

(9)主塔位移监测：选择在南、北索塔顶分别布设1 台GPS 测站，在桥址稳固位置布置1 台GPS 参考站。

(10)主梁挠度监测：选择在北侧索塔处主梁、主跨1/8跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨、主梁、南侧索塔处主梁布设2 个压力变送器。

(11)塔梁振动监测：选择在北侧索塔塔顶上下游、南侧索塔塔顶上下游、北侧索塔处主梁、主跨1/8 跨主梁、主跨1/4 跨主梁、主跨3/8 跨主梁、主跨1/2 跨主梁、主跨5/8 跨主梁、主跨3/4 跨主梁、主跨7/8 跨主梁及南侧索塔处主梁布置单向加速度计。

(12)斜拉索索力监测：从经济角度及相邻斜拉索索力变化的相关性考虑，索力加速度计(图5)宜间隔4～5 个拉索错开布置。

(13)交通荷载布置：运营状态需加强有关车流量、重量的监测，故从荷载的源头上加以控制，确保桥梁的正常安全运营， 选择在北侧主桥上桥处布设1 套动态称重系统。

图5 压力式索力传感器

(14)交通视频监测：视频监控可以对运营期大桥的交通车辆及航道通流量进行监控， 在主桥北侧上桥处布设2 台高清摄像机；选择在主桥南、北索塔下部各布置1 台高清摄像机。

长门特大桥监测点设计布置如图6 所示。

图6 长门特大桥监测点布置设计图

4 运营期桥梁人工巡检

4.1 必要性

传统健康监测系统采用实时连续监测， 这种方式不仅产生了高额的设备维护和数据存储费用， 而且得到的海量数据在现有技术条件下无法充分有效处理。 长门特大桥监测工作宜采用周期监测和定期人工巡检相结合的方法， 周期性地进行实时监测， 监测时间可根据需要拟定，非关键时期可采用人工定检，辅助在线监测数据的正确性分析判断，经过一定的时间间隔再次启动实时监测。

4.2 主要措施及内容

依照《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)[4]的相关要求对长门特大桥运营期结构外观缺陷、 结构锈蚀状况及主要受力结构变化状况实施定期人工巡检， 人工巡检的主要措施及内容如下：

(1)通过桥梁经常检查、定期检查和专项检查，调查桥梁的表观缺陷，例如：桥面铺装层纵、横坡是否顺适、钢结构锈蚀状况、斜拉索的表面封闭、防护状况、索力变化状况、锚头内部锈蚀积水状况、支座的老化、开裂状况等。

(2)通过人工巡检检查结果，对桥梁总体及主要构件技术状况进行评定， 向桥梁管养人员提出养护维修建议及病害处置措施，实现桥梁全寿命全方位管养。

(3)人工巡检的检查频率，宜每半年1 次。特大桥梁综合评估(综合利用监测数据、专项检测及定期检测的数据)通常1 年定期进行1 次。

5 结语

长门特大桥结构健康监测系统的设计， 充分考虑了桥梁自身结构特性及环境影响， 在研究了传统的监测系统设计方案基础上， 按照经济适用的原则对其进行了优化，经多位专家论证后，确定该方案科学有效。 长门特大桥于2019 年9 月29 日建成通车， 其跨径在同类桥梁中居全国第一、世界第二，此次的设计方案也直接被采用于长门特大桥健康监测系统的实际构建当中。