浅谈健康监测系统在悬索桥预防性养护中的应用

杨云云

（甘肃省临夏公路事业发展中心,甘肃 临夏 731100）

0 引言

刘家峡大桥于2013 年12 月通车运营，该桥为单跨双索面地锚式悬索桥，为当时西北地区最大跨度的悬索桥。从掌握的资料看，桥梁宽度在同规模桥梁中最窄，首次采用钢管混凝土结构作为悬索桥桥塔，桥塔为当时世界上最大直径的钢管混凝土结构，重要性十分突出。为了更好地对该桥进行管养，在其上安装了桥梁健康监测系统，对结构各项指标进行实时全方位的监测，使管理人员在控制室内就可了解现场已经发生和即将发生的重要事件，并能迅速采取果断措施加以处理，有效提高综合防范和安全管理能力。本文结合刘家峡大桥的实践，对健康监测系统在悬索桥预防性养护中的应用进行分析总结。

1 桥梁概况

刘家峡大桥为单跨536m双铰简支钢桁梁双索面悬索桥，建成于2013年。临夏折桥侧边缆跨度148m，兰州达川侧边缆跨度113m，两边跨均无吊索。主缆中心距为15.6m，吊杆标准间距为8m。锚碇为混凝土三角框架式。门式框架钢管混凝土桥塔，基础为18根直径2m 的灌注桩，临夏岸桥塔桩长35m，永靖岸塔桩长25m。主缆为PPWS，主缆每根44股，一股有127根直径5.2mm 镀锌高强钢丝，主缆外径为42.93cm、43.46cm，由73 根直径5.0mm钢丝组成一束吊索。加劲梁为钢桁梁，桥面为正交异性板，弦杆高4m，弦杆全宽16.105m。加劲梁在两端各设置竖向支座2个，横向抗风支座4个。桥面铺装采用3cm 厚环氧沥青和3cm 厚沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。

2 结构健康监测的意义和必要性

公路桥梁在自然环境(大气腐蚀、湿度及温度变化等)、使用环境(荷载作用与频率增加、材料与结构疲劳加剧等)和外部各种因素影响下，会慢慢产生缺陷和损坏，若持续发展会致使桥梁出现结构病害、行车隐患，严重影响桥梁的运营安全。近些年来，国内发生多起桥梁坍塌事件。为了保障桥梁运营安全，桥梁管理单位通常采用的技术手段是人工检查，这种方式获取的数据缺乏连续性和实时性，不易及时发现隐蔽病害，难以有效保障桥梁安全。据美国联邦公路委员会调查分析发现，人工检查的结果不恰当的有56%。如美国密西西比河大桥垮塌事件，垮塌前2年人工检查并没有发现结构性病害。这些严重的桥梁安全事故使人们认识到了人工检测技术存在的不足和局限性，同时也认识到了桥梁结构健康监测的必要性和重要性。桥梁结构健康监测技术已在我国发展近30 年时间，逐步走向成熟，也对我们桥梁养护管理单位提供了科学决策的数据支撑，为桥梁安全运行发挥积极作用。

3 健康监测内容

根据《公路桥梁结构健康监测系统技术规程》(JT/T 1037-2016)相关规程，结合桥梁管养实际，刘家峡大桥桥梁健康监测实施内容包括结构变形、结构应力、结构温度、索力、环境温湿度、梁端位移、交通荷载、自振频率等8 个模块及人工检查。现介绍健康监测内容中主要的7个方面。

3.1 桥梁结构变形模块

桥梁结构是否变形是桥梁安全运行的最直观的指标。如果结构发生变形，说明结构已经失去了应力平衡，桥梁可能会随时倾覆。所以布设结构变形模块对结构的变形进行监测、分析是非常必要的。

3.2 桥梁结构应力监测模块

首先，桥梁设计时结构应力必须符合设计规范。其次，结构应力发生超限变化，必然影响结构材料的耐久性，材料性能变化必然引起结构失稳、应力集中等恶性变化，通过对结构应力持续监测可以提前判断、分析结构的稳定性。所以布设结构应力模块对结构应力进行监测、分析是非常必要的。

3.3 环境温、湿度监测模块

桥梁安全运行中环境影响是不可忽略的。温度变化不仅对桥梁结构材料性能有所影响，还对健康监测数据采集元器件性能有所影响，所以有必要同步监测结构温度。刘家峡大桥钢构件较多，湿度对结构防腐影响较大，有必要对环境湿度进行监测，当湿度超出规定值时，启用必要的除湿程序，改善环境湿度。

3.4 梁端位移监测模块

刘家峡大桥为悬索桥，其刚度较小，在温度、汽车制动力、风力、地震等作用下可能会产生超限的纵向水平位移，会严重影响桥梁安全运行。

3.5 索力监测模块

刘家峡大桥作为悬索桥，其缆索系统是桥梁的重要组成部分，发挥着非常重要的作用。其中主缆为上部结构主要承重结构，负责将恒载和活载传递至锚碇和索塔，而吊索负责将加劲梁和桥面板以及通行的行人车辆荷载传递至主缆。缆索系统的破坏直接影响桥梁运营安全，所以有必要对主缆和吊索的索力进行监测。

3.6 自振频率监测模块

自振频率直接影响桥梁结构的稳定性，与桥梁结构工作状态息息相关，如桥梁自振频率与受到的外界振动频率一致，就会发生共振，会导致桥梁构件损坏，自振频率将会发生变化，如果共振严重时可能影响桥梁的安全运行，所以有必要对自振频率进行监测。

3.7 车辆荷载监测模块

随着经济社会的高速发展，刘家峡大桥车流量陡增，伴随着超限超载车辆长期作用，桥梁技术状况急剧恶化、严重影响桥梁服役时间。并且近年来超载超限车辆通行致使桥梁损毁的案例也时常发生，所以布设车辆荷载监测模块，实时监测结构应力变化并预警，配合电子抓拍系统对车辆信息进行收集，可与路政执法部门进行联合治超，保护桥梁运行安全。

4 监测模块的布设

4.1 桥梁应变和温度监测

（1）加劲梁应变和温度监测。在桥梁主跨加劲梁L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8 断面处，分别安装4支应变传感器监测加劲梁应变及温度变化情况，共安装28支。

（2）桥塔应变及温度监测。在每个桥塔根部断面安装应变传感器，测量桥塔应力。传感器在横断面布设在横桥向和纵桥向两个方向的4 个位置，共安装16支。

（3）索股拉力监测。在每个锚室选取8 根索股，对索股索力进行监测。在每个索股的2 根拉杆上安装应变传感器，每个锚室安装16支，共64支。

（4）桥面板动应变监测。在3 跨桥面板各布设12支应变传感器，用于监测桥面板动应变，监测正交异性桥面板动应变指标。

全桥共计布设144支应变传感器。

4.2 变形监测

（1）加劲梁挠度监测。在桥梁主跨加劲梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 断面上游布设GNSS 测点，并在桥头布设基准点，监测加劲梁空间变形。

（2）桥塔变形监测。在4个桥塔塔顶格栅处各布设1 个GNSS 测点，用于监测桥塔三维变形。在4 个塔顶各布设2个光纤光栅倾角计，监测纵桥向和横桥向两个方向的桥塔倾斜变化。

（3）伸缩缝位移监测。全桥共4 道伸缩缝，每道伸缩缝安装2个拉线式位移计，监测桥梁伸缩缝位移。

（4）主缆变形监测。在本桥3 跨跨中上、下游主缆各布设一个GNSS测点，用于监测主缆变形。

全桥共布设18个GNSS测点、8支倾角计，8支拉线式位移计。

4.3 动力特性监测

（1）加劲梁动力特性。根据通用有限元软件Midas Civil 振型计算结果，在桥梁主跨加劲梁1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8 断面处各布设1 支双向或三向加速度传感器，分别监测加劲梁横向和竖向加速度。

（2）桥塔动力特性。在4个桥塔顶部各安装1支双向或三向加速度传感器，分别监测桥塔纵桥向和横桥向加速度。

（3）吊索索力监测。刘家峡大桥每幅索面65 根吊索，每一幅索面选择其中13根吊索安装加速度传感器，用于测量吊索索力。

全桥共计布置37支加速度传感器。

4.4 环境温湿度监测

在4 个锚室内、4 个主索鞍鞍罩内以及加劲梁1/4、1/2、3/4 断面桥面处安装温湿度计，监测环境温度及湿度。温湿度传感器全桥共安装11支。

4.5 风速风向监测

（1）塔顶风速风向：在4 个塔顶各安装1 支风速风向仪，用于监测塔顶风速和风向；

（2）桥面风速风向：在跨中上下游桥面各安装1 支风速风向仪，监测桥面风速风向。

全桥共安装6支风速风向仪。

4.6 桥梁视频监控

在两侧上游桥塔塔顶格栅、两侧桥头以及加劲梁两端，各安装一台高清球机，对桥梁运营状况、监测系统运营状况进行实时监控。全桥安装6支。

4.7 桥梁动态称重及电子抓拍

在兰州岸散索鞍支墩处布设动态称重及电子抓拍系统，对通行车辆特别是超载货车进行实时不停车称重及对公路载荷信息进行大数据分析和处理。在称重传感器前后25m 左右位置处安装车牌抓拍摄像机和监控摄像机，不但可以对超载车辆进行有效的识别，还可以对现场情况进行24h监控。

当车辆经过称重区域时，数据采集器采集并分析运输车辆的轴重、车辆总重、车辆通过速度、车型、轴距、车辆是否通过等信息。

当被检测车辆完全通过后，数据采集器将采集到的车辆初始信息传输至称重仪表，称重仪表通过计算输出完整的车辆信息(包括轴重、车辆总重、轴型、轴间距、总轴距、轴数、车型、通过速度、通过加速度/减速度、通过时间、通过车道等)，然后，称重仪表将车辆数据和车牌数据匹配打包后上传给现场服务管理工控机。

5 安全预警及监测阈值

根据桥梁结构一段时间的运营状况以及相关技术资料确定出针对该桥实际状况的安全技术指标及其阈值。

5.1 安全预警级别

刘家峡大桥安全预警状态分为绿、黄、橙、红四级：

（1）结构响应绿色，结构安全状态；

（2）结构响应黄色，结构出现异常；

（3）结构响应橙色，结构可能出现危险情况；

（4）结构响应红色，表示结构处于危险状态。

系统根据实时预警评估系统的评估结果，当判断结构处于“安全”状态，则继续实时评估；当实时预警评估结果超过安全阈值时，判断结构处于“不安全”状态，系统会根据不同的预警级别发出相应的预警信号以及管制措施，并按照预警后触发方式启动安全评估系统对其桥梁结构的技术状况进行全面的评估；当实时预警评估系统不能判断结构安全与否，系统也会自动按照预警后触发方式自动调用安全评估系统，对桥梁结构进行全面评估，进一步判断结构是否处于“安全”状态，若处于“不安全”状态，则启动报警系统。

5.2 预警措施

不同预警级别对应不同的预警措施，具体如下：

（1）黄色预警：记录预警状态，由养护单位技术人员到现场查看报警区域传感器及结构是否存在异常，定期检查时重点核查；

（2）橙色预警：养护单位及时上报运营管理单位，运营管理单位次日组织相关单位及技术人员到现场检查，5日内出具橙色预警处治报告；

（3）红色预警：养护单位及时上报运营管理单位，并派驻技术人员到现场查看，运营管理单位当日组织相关单位及技术人员到现场进行全桥检查，必要时进行交通管制，次日提交红色预警处治报告。

5.3 预警阈值设定

安全预警模块通过建立局部测点阈值、参数类别阈值、整体工作阈值的多层次阈值体系实现，目的在于根据阈值预防结构损伤、防止突发破坏并为特殊灾害下的管理措施提供依据。实时安全预警设黄色和红色两级，当超过阈值时自动报警，预警信息包括预警级别、报警传感器编号和位置、报警的监测值和预警值。

6 结束语

综上所述，采用桥梁结构健康监测系统监控桥梁的安全十分必要，也十分重要。从刘家峡大桥的实践来看，桥梁结构健康监测系统在悬索桥预防性养护中发挥了应有的作用。未来，为全面、实时掌握大桥运营阶段结构状态的变化，有必要建立一套现代化的智能健康监测系统，建立一套数字化、信息化、智能化、科学有序的养护运营管理平台，对大桥结构各种关键状态参数、指标进行长期、适时、系统地监测，并对桥梁的技术状况和承载能力作出评估，制定紧急状况应急预案，在结构运营状态严重异常时发出警告，为大桥管养维修决策提供更加具有针对性的参考和指导，更加合理配置管养资源，进一步降低大桥寿命期内养护维修成本，实现“全寿命周期内的监管养护”的目标。