基于斜拉桥的结构健康监测系统设计研究

姜顺泉，娄 倩

中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052

1 工程概况

苏通大桥是主桥为(100+100+300+1088+300+100+100)m跨径布置的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨江大桥总长8206m；双向六车道高速公路建设标准，跨江大桥设计时速100km，南、北两岸接线设计时速120km；主通航孔净空891m× 62m，可满足5 万t 级巨轮通航需要。苏通大桥结构健康监测系统于2008 年3 月底建成使用，大桥于2008 年6 月30日通车投入运营，项目总投资64.5 亿元。

2 监测项目选取

桥梁结构健康监测项目可分为三类：荷载监测、结构响应及自身特性监测。荷载监测主要为环境参数监测，监测内容包括风荷载，大气温度、湿度，桥梁结构温度以及行车荷载等；结构响应监测对象主要有支座变形和位移、主要结构特征点位移、结构内力分布、结构应力应变等；结构自身特性主要有主梁、主塔振动频率和振型[1]。

2.1 监测项目选取原则

（1）选取决定桥梁结构安全和使用特性的关键性重要构件；（2）选取在正常运营条件下受重复荷载作用易于疲劳损伤且不易更换的构件；（3）根据气候条件和地理环境，选取对桥梁结构受力影响较大的因素；（4）重点监测异形结构、特殊结构；（5）综合考虑结构健康状态识别和结构安全评估需求，使其服务于桥梁运营和养护管理；（6）综合考虑桥梁结构特点和经济可行性，实时监测与定期监测方法相结合；（7）为结构动力特性研究与结构损伤识别积累数据做技术准备。

2.2 桥梁健康监测项目

桥梁结构健康监测综合应用了现代传感技术、网络通信技术、信号采集与处理技术、数据挖掘技术、云计算、机器学习研究等众多领域的知识，扩大了桥梁检测领域。苏通大桥健康监测主要监测项目如表1 所示。

2.3 结构动力及振动特性

结构动力特性如自振频率、振型（各阶模态）和阻尼比等参数对桥梁抗震（抗风）设计、桥梁健康监测与安全评估、结构损伤诊断等研究至关重要。理论上，通过精确求解目标函数高阶模态参数可以唯一确定结构动力特性及其在外部激励条件下的动力反应。在实际应用中，桥梁结构损伤识别通过结构动力特性来构建损伤指标或优化目标函数算法的方法实现，其识别结果的可靠性在很大程度上取决于各阶模态参数的求解精度，因而求解结构模态参数是结构损伤诊断和结构安全评估的基础。

表1 主要监测项目原始数据及衍生参数

2.4 模态参数识别

传统的系统模态参数识别通过理论假设构建已知系统，在特定的输入（通常为人工激励或机械加载等瞬时脉冲荷载）、输出条件下求得结构频域响应函数或时域脉冲响应函数的方法来实现，然而对于现代化的大型土木结构如大跨度桥梁及超高层建筑等复杂结构而言，传统方法不再适用。伴随着计算机学科的不断发展，高阶模态迭代计算的求解精度不断提高，基于环境激励且仅由输出数据识别系统模态参数的方法逐步取代了传统的方法，桥梁结构的振动响应（输出）由安装在各结构部位的传感器直接测得[2]。

早在20 世纪60 年时代，基于环境激励条件下的结构模态分析研究已经开始，经过五十多年的不断发展，各种模态参数识别方法不断涌现，其中代表性的方法有频域分解法、ITD 法、最小二乘复指数法、NEXT 法、随机减量法、随机子空间法等。

3 结构安全评估与预警

结构安全评估与预警系统作为桥梁健康监测系统的核心，同时也是系统服务于桥梁养护管理的纽带，能够综合桥梁自动化监测数据，从而进行统一处理分析、特征信息挖掘及以趋势预测；同时，根据结构预警系统来诊断和分级预警结构异常状态，按照结构的评估模型综合评估桥梁结构的安全状态，并据此给出桥梁结构的管养建议。结构安全评估与预警系统通常具备以下功能：

（1）对监测数据进行统计分析、数据挖掘，提取特征参数，进行趋势、模型对比分析，评估结构损伤程度，诊断结构运行状态。

（2）利用监测数据修正结构分析、建立结构有限元模型，进行桥梁运营状态分析和行车安全评定。

（3）预警指标及分级预警体系明确，通过设置预警阈值，判断和分级预警实时监测结构状态参数信号，并利用预警情况记录监测数据完善报警阀值。

（4）通过监测数据分析和分级预警，对结构异常状态进行识别、报警；记录异常事件（如冲撞护栏事件）信息，生成预警记录和报告。

（5）以图表等形式直观展现监测数据分析结果并给出明确的评估结果；自动生成桥梁不同时期运营分析报告，服务于各级管理人员。

（6）根据桥梁运营异常状况和安全评估结果，给出应对措施和维修管理建议。

4 桥梁结构健康监测系统设计

4.1 总体要求

（1）对监测数据进行统计分析、数据挖掘，提取特征参数、分析结构整体动力特性，通过趋势、模型对比分析；综合评估桥梁运营状态，定期给出结构安全评估报告。

（2）建立计算模型，选取预警指标和参数并设置预警阈值；对运营期间的桥梁结构进行实时监测并识别结构损伤，当识别报告中预警指标或参数触发预警阈值时，对桥梁结构安全使用状况进行综合预警。

（3）结合实时监测数据对结构安全状态进行综合评估，并生成监测数据分析和桥梁状态评估报告。

（4）根据预警信息、评估结果和可能出现的桥梁异常状况，给出相应的对策和维护管理建议，优化桥梁维修管养制度。

（5）预留数据接口，便于后期系统的升级扩展和补充。

4.2 结构预警设计要求

（1）建立结构分级预警体系，实现在线实时监测可能威胁到桥梁结构运营安全的可变荷载，并在结构响应异常时发出预警，提醒运营管理人员关注桥梁结构安全状态。结构预警包括桥梁关键构件正常使用极限状态预警，在风载、车辆撞击等作用下的结构响应预警和承载能力极限状态预警，通过合理选取结构内力、应力、变形等参数建立监测预警指标，设置预警阈值，构建不同层级的预警体系。

（2）能够实现在线预警，对结构主要监测点的力学指标、环境参数进行预警和监测系统自身运营状况预警，预警级别可根据桥梁结构损伤程度对行车安全的不同影响划分为黄色预警、橙色预警、红色预警等若干级别，其中黄色预警是超出正常使用状态，红色预警是超出设计极限状态；对不同级别的预警事件给出相对的应急预案，并通过语音提醒、短信等方式通知相关工作人员。

4.3 安全评估设计要求

结构安全评估指对桥梁的服役性能和结构安全状态进行评价，包括通过各项监测数据分析获取结构的服役状态及其变化趋势，掌握结构的整体性能及其弱化规律；根据监测数据分析，结合巡检、检测各类信息、内力状态、结构动力特性识别，对桥梁安全性评估、承载力评估、疲劳评估和其他专项评估（如台风、地震、船撞等）。实用的结构安全评估体系通过对监测数据进行可量化分析，能够生成不同运营时期的安全评估报告，实现桥梁运营安全评估全过程统一管理。

5 结束语

通过建立结构健康监测系统对桥梁运营状态进行实时监控与安全评估，实现对桥梁结构健康状况的信息化管理和桥梁行车安全状态的在线实时预警，为桥梁的运营维修、养护管理提供决策依据和指导，确保交通行车安全，为国民经济发展和交通运输安全提供保障。