朱小忠

(福建省交設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350007)

處于我國經(jīng)濟(jì)騰飛時期建設(shè)的橋梁， 不論是公路系統(tǒng)還是市政系統(tǒng)，多數(shù)橋梁處于“只建不養(yǎng)或養(yǎng)護(hù)管理不到位”或“無人值守”狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)坍塌，拉索銹蝕突發(fā)斷裂等一系列橋梁災(zāi)害， 后期基本處于被動檢測維修加固的局面。 截至2016 年，我國已修建的公路橋梁多達(dá)80.53 萬座，其中特大橋4257 座，大跨度橋梁的管養(yǎng)工作任重而道遠(yuǎn)。

橋梁運營期的安全監(jiān)測是橋梁管養(yǎng)工作的重要內(nèi)容，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)(Bridge Health Monitoring System)普遍應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)， 大橋在建設(shè)初期便可構(gòu)建健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用收集到的特定信息，對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)測，能科學(xué)地指導(dǎo)工程決策，實施有效的保養(yǎng)、維修與加固工作[1]。當(dāng)前國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建仍處于探索及嘗試階段， 該系統(tǒng)的構(gòu)建涉及許多不同的領(lǐng)域，如傳感器技術(shù)、結(jié)構(gòu)計算、計算機(jī)技術(shù)、通訊集成技術(shù)等。本文以福州繞城高速公路長門特大橋為例， 依據(jù)建設(shè)單位對橋梁建設(shè)初期及后期管養(yǎng)的需求，對該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。本文設(shè)計了健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及的傳感器子系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、安全評估子系統(tǒng)，并結(jié)合人工巡檢數(shù)據(jù)綜合評估系統(tǒng)的邏輯和可行性。

1 橋梁概況

長門特大橋是福州繞城高速公路東南段工程項目中重要控制性工程，跨越閩江，是一座(35+44+66)m+550 m+(66+44+35)m 雙塔雙索面混合梁斜拉橋，邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，橋面寬度38.5 m，該橋斜拉索共136 根，塔柱采用花瓶型橋塔，橋梁跨徑布置如圖1。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

大跨度斜拉橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，宜采用“經(jīng)濟(jì)實用、性能可靠、科學(xué)合理、兼顧科研”的指導(dǎo)思想：

圖1 長門特大橋橋跨布置圖(單位：cm)

(1)面向特大型橋梁養(yǎng)護(hù)和運營管理需要，兼顧混合梁斜拉橋科研需求等方面因素；

(2)根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)易損性分析，選擇結(jié)構(gòu)易損重點部位及日常養(yǎng)護(hù)難于檢查部位進(jìn)行監(jiān)測測點布置；

(3)監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測參數(shù)的選擇，要從結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的需要和運營養(yǎng)護(hù)管理需求出發(fā)， 為未來進(jìn)行狀態(tài)識別和結(jié)構(gòu)安全評估做技術(shù)準(zhǔn)備；

(4) 采用周期監(jiān)測和定期人工巡檢相結(jié)合的方法，節(jié)約成本，科學(xué)高效[2]。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容分析

長門特大橋為福建海洋地區(qū)少有的大跨徑斜拉橋，且屬交通要道， 在橋梁運營管養(yǎng)過程中的主要存在以下幾方面的風(fēng)險：①臺風(fēng)，②地震，③車輛超載，④斜拉索斷裂及腐蝕，⑤鋼橋面板疲勞破壞，⑥主梁線形變化，⑦航道船撞。

對橋梁耐久性及安全性進(jìn)行監(jiān)測的前提是合理選擇監(jiān)測項目，橋梁健康監(jiān)測項目主要包括環(huán)境、荷載、橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)力、 關(guān)鍵控制截面變形、 結(jié)構(gòu)動力特性等參數(shù)，對于大跨度混合梁斜拉橋而言，橋跨結(jié)構(gòu)體系相對復(fù)雜， 健康監(jiān)測內(nèi)容的確定需要建立在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特性和受力狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上。

國內(nèi)目前已建成使用的大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)所選擇的監(jiān)測項目大致相同， 表1 為面向管養(yǎng)的監(jiān)測參數(shù)向?qū)б挥[表以供參考。

表1 監(jiān)測項目向?qū)б挥[表

2.3 系統(tǒng)組成

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在橋梁上的傳感器以及數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理等軟硬件構(gòu)成，對橋梁的荷載與環(huán)境作用以及橋梁結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行測量、收集、處理、分析，并對橋梁結(jié)構(gòu)正常使用水平與安全狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)警[3]。

(1)傳感測試子系統(tǒng)包括3 大模塊：①傳感器模塊。通過傳感器將各類監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電(光)信號。②數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。 將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并完成遠(yuǎn)程傳輸。③數(shù)據(jù)處理與控制模塊。 將監(jiān)測信號進(jìn)行預(yù)處理，以及二次處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的信息源或力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)定程序控制監(jiān)測參數(shù)的采集。

(2)中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲等工作。

(3)用戶界面子系統(tǒng)：將各種數(shù)據(jù)向用戶展示，并接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

(4)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)：主要功能是通過監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境參數(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)， 對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要變化及橋梁出現(xiàn)不安全征兆時進(jìn)行預(yù)警，提供報警信號，提醒管養(yǎng)人員關(guān)注結(jié)構(gòu)運營安全狀況， 及時進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，保障結(jié)構(gòu)安全正常運行。

2.4 工作流程

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程， 其工作流程示意如圖2 所示：

圖2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)工作流程示意

3 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

長門特大橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋， 邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，斜拉索共136 根，采用空間扇形雙索面布置形式，南、北塔兩側(cè)各17 對索。通過對長門特大橋結(jié)構(gòu)受力及地理環(huán)境的分析， 初步確定其安全監(jiān)測內(nèi)容如表2 所示：

3.2 傳感器設(shè)計

傳感器的性能參數(shù)， 應(yīng)符合行業(yè)的一般要求及主流設(shè)備的性能，對于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器設(shè)備的使用壽命一般要求在20～30 年。 長門特大橋監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的設(shè)計見表3：

表2 長門特大橋監(jiān)測項目一覽表

表3 長門特大橋監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)備

3.3 傳感器的布置原則

(1)布置在反映結(jié)構(gòu)受力最不利位置處；

(2)傳感器安裝位置宜具備便于安裝或更換條件；

(3)合理利用結(jié)構(gòu)的對稱性原則，達(dá)到減少傳感器的目的；

(4)應(yīng)兼顧傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，因此傳感器的布置應(yīng)有一定冗余；

(5)應(yīng)對已安裝的傳感器采取保護(hù)措施，使其不受溫濕度、雷擊及干擾源(電源、電磁)等環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

3.4 測點布置方案

(1)風(fēng)速監(jiān)測：選擇在索塔頂布設(shè)1 臺機(jī)械風(fēng)速儀和在主跨跨中橋面布設(shè)1 臺三向超聲風(fēng)速儀(圖3 左)。

(2)溫濕度監(jiān)測：選擇在北索塔上部塔橫梁布設(shè)2 個、南索塔上部塔橫梁2 個、主跨北側(cè)主梁1 個、主跨南側(cè)主1 個、主跨跨中2 個溫濕度儀(圖3 右)。

圖3 機(jī)械式風(fēng)速儀、溫濕度儀

(3)腐蝕監(jiān)測：選擇索塔處橋墩位置進(jìn)行混凝土耐久性腐蝕進(jìn)程監(jiān)測，分別在南、北兩側(cè)索塔處橋墩墩臺布設(shè)1 個腐蝕計。

(4)雨量監(jiān)測：在主梁跨中位置布設(shè)一臺雨量計。

(5)地震及船舶監(jiān)測：選擇在南、北側(cè)索塔承臺頂部布設(shè)1 臺三向加速度計。

(6)結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側(cè)主跨鋼箱梁截面、南側(cè)主跨混凝土箱梁截面、南側(cè)邊跨混凝土箱梁截面分別布設(shè)16 個光纖光柵溫度計。

(7)結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測：選擇在鋼箱梁跨中截面、北側(cè)主跨鋼箱梁截面、南側(cè)主跨混凝土箱梁截面、南側(cè)邊跨混凝土箱梁截面分別布設(shè)16 個光纖光柵應(yīng)變計(圖4)。

圖4 光纖光柵應(yīng)變計

(8)兩端位移監(jiān)測：選擇在主橋兩側(cè)端部位置分別布設(shè)4 個位移計。

(9)主塔位移監(jiān)測：選擇在南、北索塔頂分別布設(shè)1 臺GPS 測站，在橋址穩(wěn)固位置布置1 臺GPS 參考站。

(10)主梁撓度監(jiān)測：選擇在北側(cè)索塔處主梁、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、南側(cè)索塔處主梁布設(shè)2 個壓力變送器。

(11)塔梁振動監(jiān)測：選擇在北側(cè)索塔塔頂上下游、南側(cè)索塔塔頂上下游、北側(cè)索塔處主梁、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 跨主梁及南側(cè)索塔處主梁布置單向加速度計。

(12)斜拉索索力監(jiān)測：從經(jīng)濟(jì)角度及相鄰斜拉索索力變化的相關(guān)性考慮，索力加速度計(圖5)宜間隔4～5 個拉索錯開布置。

(13)交通荷載布置：運營狀態(tài)需加強(qiáng)有關(guān)車流量、重量的監(jiān)測，故從荷載的源頭上加以控制，確保橋梁的正常安全運營， 選擇在北側(cè)主橋上橋處布設(shè)1 套動態(tài)稱重系統(tǒng)。

圖5 壓力式索力傳感器

(14)交通視頻監(jiān)測：視頻監(jiān)控可以對運營期大橋的交通車輛及航道通流量進(jìn)行監(jiān)控， 在主橋北側(cè)上橋處布設(shè)2 臺高清攝像機(jī)；選擇在主橋南、北索塔下部各布置1 臺高清攝像機(jī)。

長門特大橋監(jiān)測點設(shè)計布置如圖6 所示。

圖6 長門特大橋監(jiān)測點布置設(shè)計圖

4 運營期橋梁人工巡檢

4.1 必要性

傳統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)采用實時連續(xù)監(jiān)測， 這種方式不僅產(chǎn)生了高額的設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)存儲費用， 而且得到的海量數(shù)據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)條件下無法充分有效處理。 長門特大橋監(jiān)測工作宜采用周期監(jiān)測和定期人工巡檢相結(jié)合的方法， 周期性地進(jìn)行實時監(jiān)測， 監(jiān)測時間可根據(jù)需要擬定，非關(guān)鍵時期可采用人工定檢，輔助在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性分析判斷，經(jīng)過一定的時間間隔再次啟動實時監(jiān)測。

4.2 主要措施及內(nèi)容

依照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)[4]的相關(guān)要求對長門特大橋運營期結(jié)構(gòu)外觀缺陷、 結(jié)構(gòu)銹蝕狀況及主要受力結(jié)構(gòu)變化狀況實施定期人工巡檢， 人工巡檢的主要措施及內(nèi)容如下：

(1)通過橋梁經(jīng)常檢查、定期檢查和專項檢查，調(diào)查橋梁的表觀缺陷，例如：橋面鋪裝層縱、橫坡是否順適、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕狀況、斜拉索的表面封閉、防護(hù)狀況、索力變化狀況、錨頭內(nèi)部銹蝕積水狀況、支座的老化、開裂狀況等。

(2)通過人工巡檢檢查結(jié)果，對橋梁總體及主要構(gòu)件技術(shù)狀況進(jìn)行評定， 向橋梁管養(yǎng)人員提出養(yǎng)護(hù)維修建議及病害處置措施，實現(xiàn)橋梁全壽命全方位管養(yǎng)。

(3)人工巡檢的檢查頻率，宜每半年1 次。特大橋梁綜合評估(綜合利用監(jiān)測數(shù)據(jù)、專項檢測及定期檢測的數(shù)據(jù))通常1 年定期進(jìn)行1 次。

5 結(jié)語

長門特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計， 充分考慮了橋梁自身結(jié)構(gòu)特性及環(huán)境影響， 在研究了傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案基礎(chǔ)上， 按照經(jīng)濟(jì)適用的原則對其進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)多位專家論證后，確定該方案科學(xué)有效。 長門特大橋于2019 年9 月29 日建成通車， 其跨徑在同類橋梁中居全國第一、世界第二，此次的設(shè)計方案也直接被采用于長門特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實際構(gòu)建當(dāng)中。