汕头中砂钢箱梁斜拉桥结构健康监测系统设计与应用

浦童刚，徐建光，吴 鸣，刘 浩，王延宁

（1.汕头大学土木与环境工程系，广东 汕头 515063；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；3.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 前言

近年来随着人工智能、大数据、物联网、深度学习、云计算等技术与工程领域的融合不断深入，基于各种数据分析技术的高效、连续的桥梁结构健康监测系统（Bridge Structural Health Monitoring System，BSHMS）在桥梁工程领域被越来越广泛地应用[1-3].结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）是桥梁建设中的一项重要工作，为确保桥梁结构满足安全、适用、耐久的功能需求，SHM技术作为一种工具可对桥梁结构进行长期的实时健康监测.对桥梁结构进行健康监测与安全评估，建立施工或运营期间的安全预警系统已经成了国内外学术界以及工程界都十分关注的热点问题之一[4].

国内外目前在许多大跨斜拉桥结构上建立了具有针对性的BSHMS，比如港珠澳大桥[5]、武汉二七长江大桥[6]、Bosphorus Bridge[7]等，孙利民等[8]总结了国内外重要桥梁对BSHMS的运用情况，并以时间轴形式进行了梳理；马乃轩等[9]对服役期内的一座扁平钢箱梁斜拉桥开展了结构健康监测研究.基于已有BSHMS获取的大量实时数据，诸多学者对在役运营状态下斜拉桥主梁或主塔的温度、拉索索力、挠度、应力、动力特性等监测参数开展了大量的研究.上述研究主要集中于运营期的健康监测研究，而针对施工过程，由于相对服役期而言时间较短，布设传感器影响施工组织等原因，这方面的研究相对很少，但施工期的监测对桥梁健康也意义重大，其能够记录桥梁结构在施工期间的环境变化、构件行为与性能演变过程，在结构施工的每一时刻，能诊断组成材料的状态.对于斜拉桥这类高次超静定桥跨结构，结构成桥时的结构线形和结构内力与施工过程有着密切的关系.因此，在斜拉桥施工过程中，建立一个安全稳定的BSHMS进而科学评估桥梁短期施工阶段的结构性能，以安全高效地完成项目目标十分必要.

基于此，为确保在施工过程中斜拉桥重要构件的各项力学指标安全可控，同时处于合理的范围内，本研究以一座钢箱梁斜拉桥—中砂大桥在施工期间的健康监测数据为基础，通过建立结构施工期间的BSHMS，以重要施工工序为节点，对中砂大桥施工过程中结构的索力、应力、温度及线形等指标进行有效监测和分析.该研究可为同类型桥梁施工期间健康监测系统设计提供科学参考.

1 项目概况

中砂大桥位于广东省汕头市，大桥东接澄海区、西接龙湖区.桥梁全长1325 m，主桥采用桥跨布置为80 m＋180 m＋80 m＝340 m的三跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，边中跨比为0.444，主桥塔梁分离，主梁通过支座支承在塔墩上.此桥主塔高度为83 m，其中上塔柱高度68 m范围内为钢结构，下塔柱15 m范围内为混凝土结构，中间4 m范围内是钢混结合段.上塔柱截面采用矩形加劲钢箱断面.主梁为正交异性扁平钢箱梁，整幅布置，截面形式为单箱五室断面.在保证塔高、跨径协调的前提下，在桥面中心处设置双索面平行钢丝拉索，采用锚箱锚固，全桥共48根，主塔每侧各6对拉索.中砂大桥桥型布置图如图1所示.

图1 中砂大桥桥型布置图

2 健康监测系统的设计和实现

斜拉桥施工过程中结构的静动力响应与结构状态密切相关，通过对中砂大桥物理参数的分析，在不同部位部署了不同的传感器，并建立了中砂大桥施工期间的BSHMS，整个系统主要由传感器子系统、数据采集与传输子系统、软件系统组成.

2.1 传感器子系统

2.1.1 监测传感器及设备

传感器的选取及配置对监测后期的数据处理和损伤检测的可靠程度具有重要的影响[10].传感器和监测设备的类型经过精心选择，其性能能够满足测量范围、采样率、灵敏度的要求.为实现本项目主要监测指标，传感器的选择如下：

a.对于局部应力，应力作为局部结构响应信号之一，对桥梁的施工损伤非常敏感.本项目中应力的监测采用表面型智能弦式应变计，其在工程结构健康监测中被广泛应用.采用现场传输的方式，将应变计4根导线对应连接于综合采集模块（Integrated Acquisition Module，IAM）的输入端，通过数据采集与传输子系统可实现数据的定时发送.

b.对于拉索张力，目前工程实践中有许多方法，包括基于磁弹性效应的传感器技术、使用测压元件的直接测量，以及基于拉索振动的间接张力估计.目前主要用弦振式力传感器、穿心式传感器对施工过程中平行钢丝斜拉索的索力进行测量.本项目采用JMM-268型桥梁索力动测仪进行施工过程中的索力测量.

c.对于结构温度，本项目采用的表面型智能弦式应变计内置半导体温度传感器，结构温度可随应力一同采集.对于索温，采用JMT-36B半导体温度传感器进行斜拉索索温的检测，在制作斜拉索时，制作2根2 m长与实桥斜拉索材质相同的试验索，在试验索内部和索PE护套的内表面沿圆周方向均匀布设温度传感器.

d.对于变形和线形控制，采用棱镜、全站仪、水准仪等光学测量装置进行监测.用红外测温枪及风速风向仪分别监测环境温度和风.中砂大桥BSHMS用到的主要传感器和仪器如表1所示.

表1 中砂大桥主要传感器和仪器

此外，需要指出的是，为保障传感器在未接入自动采集与传输子系统之前能及时有效地采集所需数据，对表面型智能弦式应变计和JMT-36B半导体温度传感器配备了JMZX-300XL手持式综合测试仪（如表1中所示），可灵活采集数据；为保障表面型智能弦式应变计与钢结构表面有效粘结，传感器安装前对钢结构表面进行打磨处理，之后选用平底安装座进行点焊安装.

基于上述监控设备和传感器，建立了中砂大桥BSHMS的传感系统，如图2所示.

图2 传感器子系统

2.1.2 监测测点及传感器布置

设计BSHMS的关键问题之一便是对传感器的优化布置，这关系到数据采集的有效性和采集效率.各监测截面和测点布置如图3所示.需要指出的是，在主梁和主塔的各测点位置同时安装应力和温度传感器进行同步采集.主梁钢箱梁应力和温度监测截面布置如下：塔周支架吊装B类梁段的端部位置（B3和B4截面）；第三根斜拉索梁段（C3、E3）的前端位置（B2和B5截面）；第五根斜拉索梁段（C5、E5）的前端位置（B1和B6截面）.9#塔处监测截面与10#塔处监测截面关于跨中呈对称布置，主桥共布置12个监测截面，共计安装96个传感器.

图3 监测测点及传感器布置示意图

根据主塔受力特点，主塔应力、温度监测截面布置在塔柱下部和中部位置.每个主塔共布置三个应力、温度监测截面，其中的两个监测截面布置4个传感器（T1和T2截面），另一个监测截面布置8个传感器（T3截面）；9#塔处监测截面与10#塔处监测截面一样，主塔共布置32个传感器.

主塔偏位采用棱镜追踪法监测，测量示意图如图4所示.通过测量在主塔上布设的棱镜的空间位置来计算主塔的偏位.棱镜安装在塔的顶端，每个主塔有两个棱镜监测截面（P1和P2截面），全桥共计4个棱镜测点截面，共安装8个棱镜.

图4 主塔偏位和主梁线形测量示意图

斜拉索的温度测试通过“温度试验索”来进行，全桥共布置2套测温索，每套测温索内分别埋入5个JMT-36B半导体温度传感器用以进行斜拉索的温度测量.

2.2 数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统中主要用到的设备如表2所示.其中全密封标配机箱内含有电源控制模块；太阳能电池板为蓄电池充电，继而为机箱供电；DTU配合DSC用户系统软件在远程无线监测时联合使用；IAM的各通道均可接入智能弦式或半导体温度传感器，自动识别智能传感器型号、编号，直接给出传感器测量的物理量.这5个设备共同组合成数据采集与传输设备（图5），全桥共布置6套.

表2 数据采集与传输子系统主要设备

图5 数据采集与传输设备

数据采集与传输子系统（图6）中起关键作用的设备是DTU.DTU支持多数据中心，可配置多个通道，每个通道连接一个数据中心，第一个通道默认是DTU终端管理通道，即连接驿云平台.可通过该通道进行DTU状态查看，参数修改、固件升级等管理操作.第二个通道连接mServer，在mServer中可设置相应的域名和端口，在DTU中插入具有上网功能的SIM电话卡，利用4G无线网络连上Internet，随后可实现与mServer监听端口的连接（域名：eyun.etungtech.com，端口：8080）.传感器通过现场电线连接到IAM，之后通过RS-485串口线实现数据源与DTU的物理连接.

图6 数据采集与传输子系统和软件系统

2.3 软件系统

软件系统主要包括驿云平台、串口通、用户系统软件DSC等，如图6所示.监测中心电脑运行串口通软件，通过mServer连接到驿云平台，将4G无线数据终端DTU映射为客户端的虚拟串口，这样电脑就可以通过虚拟串口远程访问DTU，进行在线监测等操作.另外，用户系统软件DSC也通过虚拟串口连接到串口通，由此无线、双向的数据通信便可在监测设备与用户系统软件DSC之间建立.

本项目设计的BSHMS现场的监测仪器与设备经密封与防水设计，采用4G无线网络信号进行数据传输，这样可极大提高系统的灵活性.个人笔记本电脑或计算机作为数据采集与传输子系统的上位机，可与用户系统软件DSC、串口通信软件等组成监测指挥控制系统，上位机通过4G无线网络信号间接与IAM建立联系，从而实现系统参数设定，监测数据实时采集、定时上载传输、存储，结果分析与处理.

3 健康监测结果与分析

斜拉索索力及主梁线形是斜拉桥施工过程中最重要的监测指标，索力和线形与温度具有较强的相关性，受温度的影响很大.钢箱梁主梁施工阶段一般应力水平相对较低（一般均小于100 MPa），但在风力较大时会影响到正常的施工.钢主塔应力在某些非对称施工中是安全预警的重要指标，对施工安全具有重要的预警作用.对斜拉索索温、塔梁温度的监测可以获得结构温度场的近似分布，有助于提高控制精度，同时结构温度监测可为应力监测提供温度补偿，确定关键截面的温度范围.主塔偏位数据作为线形控制的辅助判读参数，可为施工监控的误差分析、参数识别等提供实测数据，保证主塔的安全，确保成桥塔偏满足设计要求.

综上所述，对比各监测项目的重要性程度，下文以重要施工工序为分析节点，重点探究在各施工工序下拉索索力、塔梁温度、塔梁应力、主塔偏位、主梁线形的变化规律.

中砂大桥主桥上部结构钢主塔于2020年9月27日开始安装，12月20日9#和10#钢主塔吊装完毕，在这期间，随着钢主塔吊装进度依次安装T1、T2、T3截面传感器，以及P1、P2截面棱镜.2021年1月17日开始主梁钢箱梁的现场悬臂吊装，2021年3月14日主桥合龙.根据斜拉桥的施工特点，将施工过程细分为7个主要阶段（Ⅰ-Ⅶ），26个具体施工工序，结合监测传感器安装状况，选取典型施工期2021年2月2日～4月1日的监测数据进行分析.

3.1 索力

每张拉一对斜拉索（一张、二张、三张），以及每吊装一个新梁段，对所有已经安装的斜拉索的索力都进行测量，共计在19个施工工序下对斜拉索索力进行测量.索力监测结果显示（如图7）：近塔端的斜拉索的索力在每次新梁段吊装时略微增大，在对远离塔端的斜拉索进行张拉时索力又缓慢减小，但随着施工的进行，总体呈现缓慢减少的趋势.索力减少最大为近塔端边跨第一对斜拉索（Z9-SSx1-L/R、Z10-SSx1-L/R），相较于二张后索力，最大减少量为39.61%.主桥合龙后进行全桥索力调整，调整之后的索力与设计索力接近.

图7 索力监测结果

3.2 温度

3.2.1 主塔温度

主塔温度的监测贯穿整个施工期间.选取Z9-T1和Z9-T2两个监测截面的1、3号测点数据进行分析，如图8所示.最高温度出现在13时左右.主塔在顺桥向及横桥向上的温度梯度分布基本一致，但在垂直方向上存在轻微的温度梯度.

图8 Z9-T1和Z9-T2截面主塔温度监测结果

3.2.2 主梁温度

主梁温度的监测贯穿整个施工期间.选取Z9-B3截面的钢箱梁底板2号测点、顶板6号测点数据进行分析，结果如图9所示.由于钢材的高导热性和顶板直接暴露在阳光下，主梁顶板位置经历了最大的温度变化，温度变化最小的是位于主梁底板上的温度计.顶板和底板的横向温度分布基本一致，但垂直温度梯度明显.顶板和底板的最大温差出现在14:00～15:00之间.主梁温度与主塔温度在时间尺度上具有周期性变化规律，即白天结构温度较大，晚上较小.由于太阳辐射照射到桥梁的角度不同，钢主塔的最高温差比钢箱梁的最高温差提前了1～2 h.

图9 Z9-B3截面主梁温度监测结果

3.3 应力

随着主梁和主塔的施工进度，及时在相应的监测截面安装表面型智能弦式应变计，待结构体稳定后，记录应变初值和此时的施工状态.用表面型智能弦式应变计测量的差值包含了温度对结构体变形的影响.为了能更有效地对主梁和主塔的应力数据进行分析，以2021年2月2日00：00时刻采集的应变值为基准点对各监测截面的初始应变值进行修正，以后各时点采集的应变值均减去该时刻的应变值，之后通过结构体的弹性模量便可计算出结构体的应力.

3.3.1 主塔应力

选取Z9-T1（1、4）和Z9-T2（1、4）两个监测截面的4个测点数据进行分析，结果如图10所示.两个监测截面应力的变化趋势基本相似，但边跨侧与中跨侧的应力变化趋势相反.当新梁段吊装（Ⅳ-1、Ⅴ-1、Ⅵ-1、Ⅶ-1）和边跨合龙（Ⅵ-4）时候，应力出现明显变化，中跨侧的变化幅度大于边跨侧.

图10 Z9-T1和Z9-T2截面主塔应力监测结果

3.3.2 主梁应力

选取Z9-B3-（1、4、6）号测点数据进行分析，结果如图11所示.底板测点（1-3）、顶板两侧测点（4、7、8）、顶板中间测点（5、6）分别表现出3种不同类型的应力变化趋势.底板测点与顶板两侧测点的应力变化趋势相反；顶板两侧测点和中间测点的应力变化趋势有时相同，有时相反，说明主梁在施工过程中存在受扭状态.当新梁段吊装（Ⅳ-1、Ⅴ-1、Ⅵ-1、Ⅶ-1）和张拉斜拉索（Ⅲ-2、Ⅲ-4、Ⅳ-2、Ⅳ-4、Ⅴ-2）时候，应力变化明显，底板的变化幅度大于顶板.

图11 Z9-B3截面主梁应力监测结果

3.4 主塔偏位

主塔偏位采用棱镜追踪法监测（如图4所示），通过在主塔上布设的棱镜的空间位置测量并计算塔的偏位.施工期间，当斜拉索二张结束和新梁段吊装后，采用全站仪对主塔偏位测点进行测量.依据规范《公路桥涵施工技术规范》（JTGT F50-2020）计算，此斜拉桥施工过程中桥塔倾斜度应控制在21.33 mm以内.9#桥塔偏位监测结果如图12所示，成桥阶段桥塔最大偏位为11 mm，且最大倾斜度不超过30 mm，满足设计要求.

图12 9#主塔偏位监测结果

3.5 主梁线形

在新梁段吊装、斜拉索张拉、混凝土配重、边跨合龙、中跨合龙等重要施工节点对梁段标高和主梁轴线进行测量，这些数据是后续索力调整、标高控制、合龙精度的重要参考依据.主梁高程测点布置及测量示意如图4所示.根据实测结果，该桥在成桥阶段桥面实测高程与设计高程的最大偏差满足小于15 mm的要求，主梁轴线偏位亦满足设计要求.

4 结论

本研究旨在通过对一座钢箱梁斜拉桥建立施工期间的BSHMS，以关键施工阶段为分析节点，对主梁和主塔进行监测分析，结果表明：

（1）随着施工进度的推进，近塔端斜拉索索力呈缓慢较小的趋势，相较于二张后索力，最大减少量为39.61%，经索力调整后成桥阶段索力总体偏差在设计允许范围内.

（2）主桥塔梁的温度、应力实时监测数据表明：钢主塔、钢主梁的应力响应与温度具有较强相关性，且钢主梁对温度的响应大于钢主塔；钢主梁截面不同测点随施工工序呈现不同的应力变化趋势.

（3）主桥合龙后，主梁线形、桥塔偏位满足设计要求与控制目标.

（4）将智能传感器和4 G无线技术融入监测数据采集和传输环节，很好地实现了对采集的数据进行快速存储、实时过滤、高效分析.