柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005

0 引言

公路橋梁在長期環(huán)境侵蝕、材料徐變、荷載效應(yīng)等因素的作用下，不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的各種損傷及抗力減弱，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，直接影響橋梁運營安全［1］［2］，如何保證橋梁運營安全成為了現(xiàn)階段我國關(guān)注的一個焦點。

為實現(xiàn)橋梁運營安全性能的有效監(jiān)控，組建一套完整實時監(jiān)測和智能化管理的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)很有必要［3］。然而，根據(jù)鋼桁架斜拉橋結(jié)構(gòu)特殊性，目前國內(nèi)針對有關(guān)此類橋型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究較少［4］。因此，本文以寶雞市陸港大橋為背景，對其主橋結(jié)構(gòu)建模受力分析，確定測點的布設(shè)位置，完成系統(tǒng)總體架構(gòu)、布點及各監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計研究工作［5］。通過完成陸港大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究與實施，為同類型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

寶雞陸港大橋位于陽平火車站以西2.0km，該工程北起陳倉科技路，跨連霍高速、渭河，南接西寶南線。大橋主橋為鋼桁架雙塔雙索面斜拉橋，長412m，跨徑組合為102m+208m+102m。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 橋梁建模計算分析

利用空間有限元分析程序MIDAS/CIVIL2015 進行計算。拉索采用桁架單元模擬，其它均采用梁單元模擬，各構(gòu)件之間采用剛性連接連接。對于內(nèi)力計算，各截面加勁肋，僅考慮其自重，不考慮其參與受力。陸港大橋主橋計算空間模型如下圖1。

圖1 主橋計算空間模型

對于結(jié)構(gòu)的計算以監(jiān)控參數(shù)為目標，主要以結(jié)構(gòu)的剛度、位移、應(yīng)力進行分析，得到監(jiān)控的主橋關(guān)鍵截面和桿件，以達到最有效的監(jiān)控測點的布置要求。

（1）通過全橋的梁單元應(yīng)力比較分析，在基本組合荷載工況下，鋼桁架塔柱與梁交接處及1/2 位置處腹桿存在較大壓應(yīng)力，宜設(shè)置應(yīng)力測點。對于梁體而言，主跨跨中、邊跨跨中及與塔柱交接處為監(jiān)測關(guān)鍵區(qū)域；

（2）通過結(jié)構(gòu)位移比較分析，主跨及邊跨跨中為位移量最大，宜設(shè)置位移測點；

（3）通過拉索索力比較分析，得到邊跨及主跨跨中索力最大，監(jiān)控索力以索力較大的索為主。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計采用集群健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，各傳感器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過無線方式集成至數(shù)據(jù)采集站內(nèi)監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)匯總監(jiān)測，同時通過有線網(wǎng)絡(luò)遠傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心供遠端用戶在線掌控大橋健康狀況。監(jiān)測系統(tǒng)框架如下圖2。

圖2 大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組建框架

結(jié)合陸港大橋斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)計算的結(jié)果，并參照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，確定陸港大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測、結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測、橋面動態(tài)交通監(jiān)測，共計4 類監(jiān)測內(nèi)容，詳細監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測：塔柱空間變形及傾斜、主梁撓度、支座及伸縮縫位移。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測：主塔及主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力及變化、拉索索力及變化。

（3）結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測：主塔、主梁振動。

（4）橋面動態(tài)交通監(jiān)測：橋面視頻監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)是由對環(huán)境參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)動力特性等參數(shù)進行監(jiān)測的傳感器組成的模塊。結(jié)合陸港大橋建模計算分析結(jié)果及傳感器經(jīng)濟適用的布置原則，該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)磁通量傳感器、GPS、振弦應(yīng)變計等八類傳感器，共計布置128 個傳感器，傳感器布置信息見下表1。

2.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要從系統(tǒng)總體構(gòu)架、軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾方面進行設(shè)計工作。全橋共設(shè)2 個數(shù)據(jù)采集主站，每個數(shù)據(jù)采集主站實現(xiàn)對各傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)通過有線或無線兩種方式與遠端監(jiān)控中心交互通信，組建為在線實時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)主要從監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗、分析、存儲、管理等幾方面進行設(shè)計工作，該子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到重要過渡作用。

2.3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)安全預(yù)警及評估子系統(tǒng)

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)包括：應(yīng)力應(yīng)變、變形、動態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)控、拉索索力等分析系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)包含：橋梁結(jié)構(gòu)強度安全評定分析、橋梁整體極限承載力分析、橋梁可靠度分析，根據(jù)分級預(yù)警機制實現(xiàn)多級預(yù)警。

結(jié)構(gòu)安全狀況評估系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中心部位，評估系統(tǒng)應(yīng)密切結(jié)合大橋的管養(yǎng)要求，做到“預(yù)測性維護、評估式維護”，并出具評估報告。

表1 傳感器布置信息一覽表

2.3.5 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

由于整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)信息種類多及多系統(tǒng)共享，支持分布式處理和訪問的同時還要支持多并發(fā)用戶的操作，且數(shù)據(jù)安全性尤為重要。中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)統(tǒng)一管理和組織數(shù)據(jù)信息，方便系統(tǒng)后期智能化管養(yǎng)，同時提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲平臺給各應(yīng)用子系統(tǒng)，方便開發(fā)與使用。

2.3.6 用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是整個監(jiān)測系統(tǒng)最終面向用戶的產(chǎn)品，是各子系統(tǒng)的集成界面，主要結(jié)合各子系統(tǒng)的功能，提供統(tǒng)一的操作界面和采用易懂的圖表形式展示各種分析數(shù)據(jù)信息給用戶，實現(xiàn)分布式、遠程訪問的方式與功能。

3 工程實施

此次橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計已應(yīng)用于寶雞陸港大橋的建設(shè)，至今已完成該橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組建工作，初步形成一套實時監(jiān)測和智能化管理的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，施工步驟如下：

施工前各項準備工作→傳感器安裝→線纜線管安裝固定→系統(tǒng)信號線及電源線纜敷設(shè)安裝與防護→數(shù)據(jù)采集站安裝固定→傳感器子系統(tǒng)分項目連接測試→數(shù)據(jù)通信接口安裝→子系統(tǒng)總體連接調(diào)試→監(jiān)控中心設(shè)備與通信安裝→軟件系統(tǒng)集成及總體調(diào)試→試運行→項目竣工驗收。

4 結(jié)語

（1）通過對陸港大橋主橋結(jié)構(gòu)進行有限元建模受力分析，確定最有效的監(jiān)測傳感器測點布置，利于下一步開展主橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的各類設(shè)計研究。

（2）該套橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理，利用現(xiàn)代傳感測試、信號分析、遠程智能控制、計算機、結(jié)構(gòu)計算分析等當代新設(shè)備和新技術(shù)，組建了一套技術(shù)先進、措施合理、實用經(jīng)濟、易于管理、開放兼容、符合橋梁運營環(huán)境和結(jié)構(gòu)特殊性的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

（3）該套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為陸港大橋運營期提供科學(xué)有序的養(yǎng)護運營管理平臺，減少大橋非重點結(jié)構(gòu)人工檢測次數(shù)，在意外發(fā)生階段和事后分析評估大橋結(jié)構(gòu)安全性，協(xié)助及改善大橋檢測方法，為大橋的維護決策提供依據(jù)，具有良好的社會及經(jīng)濟效益。