用数据构筑防线——胶州湾大桥结构监测系统在运营安全中的应用

从20世纪90年代开始，随着社会经济的发展，我国交通运输基础建设进入了一个全面发展的时期，一大批国省道、国家级高速公路、高速铁路等先后建成通车，也带动了桥梁尤其是特大桥梁的大规模建设。据统计，在我国187万Km的公路上有各类桥梁32万多座，计1337.6万延米，其中长度超过千米的特大型桥梁有700多座。鉴于桥梁工程在国家建设和人民生活中的重要作用，一直以来“重建设 轻养护”的方式逐渐发生改变，桥梁结构安全与耐久性越来越受到重视。为确保大型桥梁尤其是大跨径、复杂结构和特殊环境下桥梁结构的安全性和耐久性，保护人民生命安全，桥梁管养单位建成了一批桥梁结构健康监测系统，期望以信息化和现代化手段掌握桥梁结构状况，并及时发现早期结构损害，有针对性地制定科学合理的养护方案。

胶州湾大桥结构监测系统与大桥主体同时设计、同时施工、同时投入使用。自胶州湾大桥通车以来，该系统在保证大桥安全、提高养护工作效率方面发挥了巨大的作用。文章根据胶州湾大桥运营管理经验，介绍其结构监测系统在运营安全管理中的应用。

胶州湾大桥是国家高速公路网G22青岛到兰州高速公路的起点段，为山东省 “五纵四横一环”公路网的组成部分。大桥起自青岛李村河口，终到黄岛红石崖，大桥全长28.88Km，其中海上段27.089Km，陆上段0.827Km基础全部采用钻孔灌注桩。大桥主要由3座通航孔桥、2座海上互通立交和非通航孔桥组成。胶州湾大桥主线桥宽35m，双向六车道，设计行车速度 80 Km/h，于 2011年6月30日全线通车。截至2024年6月份，大桥累计安全通行车辆约2.2亿辆次，为人们从青岛至黄岛、胶州、红岛累计节省约44亿Km里程。

胶州湾大桥结构监测系统，通过在大桥各控制点安装自动监测传感器，并辅以人工定期检测，获取用于大桥结构安全性、耐久性和使用性评估相关的数据，通过专业的数据处理和分析方法，为大桥结构健康评估提供各类数据，大桥结构监测系统如图1所示。

图1 胶州湾大桥结构监测系统

如图2所示，胶州湾大桥结构监测系统共包括五个子系统，即传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统、预警评估子系统及巡检养护管理子系统。

图2 胶州湾大桥结构监测系统框架

胶州湾大桥结构监测系统主要完成以下任务：

(1)全面长期监测结构性能参数的变化，定期评价结构安全状况，提供桥梁养护建议；

(2)及时发现异常事件、预警及报警信息，为病害的早期发现及养护提供建议；

(3)为桥梁养护维修工作、桥梁离线评估、设计验证与科研试验积累可靠有用的数据仓库；

(4)定期优化、完善相关软件算法、阈值模型体系，逐步形成有针对性的实用的为养护服务的软件体系。

胶州湾大桥结构监测系统于2011年8月完成全部设备安装、软件系统开发、硬件系统部署、系统联调等工作，并于当年9月至11月完成系统的试运行工作。从2012年7月起,管养单位组建胶州湾大桥结构监测系统运维团队，进行数据分析、结构状态评估和系统维护工作。

截至目前，大桥结构监测系统已稳定运行超过12年时间，积累了丰富的结构状态数据，期间生成试运行报告及各类评估报告170余份，为胶州湾大桥的安全运营和科学养护提供了技术支持。

系统在3座航道桥共布置了7个GPS测点,以监测航道桥主塔形变和跨中挠度变化。

以大沽河航道桥为例，为直观展示主塔形变和跨中挠度变化，将采集数据制成散点图。由散点图可知，GPS监测数据变化稳定，跨中变位以竖桥向为主，塔顶变位基本在±100mm以内，大沽河航道桥的主塔形变和跨中挠度处于安全可控范围。

图3 大沽河航道桥GPS布置图

作为桥梁结构的重要构件，伸缩缝的主要功能是适应桥梁纵桥向由于温度变化、混凝土收缩与徐变、交通荷载引起的变形，消减以上因素引起的二次应力。系统在3个航道桥主梁梁端分别布置了位移计，监测伸缩缝的纵桥向位移数据，获取结构纵向受约束的状况。

根据传感器数据绘制各伸缩缝温度—位移时程曲线，见表1。

胶州湾大桥沧口航道桥为双塔钢箱梁斜拉桥，红岛航道桥为箱梁独塔斜拉桥，大沽河航道桥为独塔自锚式悬索桥，系统在3座航道桥选取有代表性的索缆、吊杆安装索力传感器，实时监测索力变化。

图4~图7给出了3座通航孔桥典型监测索力自2024年3-4月的时程曲线，从图中可以看出，各监测斜拉索索力、吊杆索力变化平稳，并且受每天温度影响呈现周期性变化，索力随温度的升高而升高。

图4 红岛桥典型斜拉索索力时程图

图5 沧口桥典型斜拉索索力时程图

图6 大沽河桥典型吊杆索力时程图

图7 大沽河桥主缆钢丝索力时程图

根据3座航道桥加速度计的监测数据，对主要振型频率识别值与荷载试验识别值和有限元模型理论计算值对比，如表2~表7所示。

由结构基本模态频率趋势分析可知：

(1)胶州湾大桥各航道桥的主要模态频率保持稳定，结构整体性能良好；

(2)监测系统加速度计的频率识别值与荷载试验的识别值较好地吻合，所识别的振型与理论振型差别不大，MAC值接近1，识别结果可靠。

胶州湾大桥风速风向仪的布置如图8所示，沧口桥和大沽河桥的桥面风玫瑰图如图9所示，青岛地区冬季以北风、西北风为主，夏季以东南风为主。

图8 沧口桥和大沽河桥风速仪布置图

图9 沧口桥和大沽河桥全年风玫瑰图

通过对大沽河桥桥面和塔顶风速数据的统计分析，得到风速频次图，如图10所示（图中蓝色、黄色、红色曲线分别为按照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60—01—2004)计算得到的重现期分别为10年、50年、100年的设计基准风速）。

图10 大沽河航道桥风速频次图

由历次大风事件及风速频次统计分析，可知：

(1）大风事件下的结构关键监测指标显示大风期间加速度幅值明显较平时大；

(2）大沽河航道桥桥面风速最大没有超过25m/s，塔顶风速最大没有超过28m/s的阈值，远低于设计规定的基准风速。

胶州湾大桥的耐久性能是重点关注的指标，系统通过在该桥10个桥墩上布设的29组腐蚀监测仪（后埋式ER环12组、阳极梯系统13组和ECI-1腐蚀仪4组，图11）监测墩身浪溅区钢筋的电位差、极化电阻等指标，以便于及时发现早期桥梁病害和构件退化，分析及预测桥梁运营期间结构耐久性能的退化趋势，从而及时采取养护措施来降低桥梁的全寿命运维费用。

图11 耐久性监测布点图

目前，已累计实施了455点次的人工测量读数，并实施耐久性监测指标数据趋势的分析功能，其中典型测点的电压趋势如图12所示。

图12 典型测点电压趋势图

通过系统的耐久性数据趋势分析，可知各监测点的半电池电位基本都在-200mv以上，目前混凝土钢筋状态良好，未发生锈蚀。

从2012年1月到2024年5月，胶州湾大桥经历过11次较为明显的地震，地震事件的基本情况如表8所示。

以大沽河航道桥承台加速度为例，根据地震事件库建立的特征，将地震时段的承台加速度时程变换为对应的加速度反应谱。与设计地震反应谱进行比较（图13~图15）可知：三个方向TX、TY和TZ的加速度反应谱输入比较接近，且远在设计地震反应谱曲线范围之下。

图13 顺桥向地震反应谱（5%阻尼比）

图14 横桥向地震反应谱（5%阻尼比）

图15 竖向地震反应谱（5%阻尼比）

2022年9月16日零点0点前后，台风梅花在山东青岛沿海一带登陆，胶州湾大桥结构监测巡检养护系统实时监测了梅花登陆的全过程。

1．风速

图16为风速仪监测数据时程曲线。台风“梅花”影响期间，胶州湾大桥沧口航道桥桥面最大瞬时风速为15.1m/s；大沽河航道桥桥面最大风速12.8m/s；大沽河航道桥塔顶最大瞬时风速为17m/s。

图16 风速仪监测数据时程曲线

2.结构变形

胶州湾大桥在主梁主跨跨中及塔顶布设GPS测站，实时监测大桥关键部位变形跨中与塔顶位移，从GPS时程图可以看出台风期间胶州湾大桥主要部位变形平稳、连续，存在少量噪点，结构变形无明显异常。

3.索力

系统的索力传感器实时监测重要部位的索力响应，台风“梅花”影响前、后，各主要位置处的索力变化见图17。

图17 航道桥索力时程曲线

从图17中可以看出台风期间，结构振动效应主要体现为阵风作用下的持续性加速度脉动，其幅值较无风时的环境脉动效应要大，但较重车通行下的响应要小，大桥结构安全。

在台风“梅花”影响期间，胶州湾大桥沧口航道桥桥面风速、大沽河航道桥塔顶风速均小于结构设计计算的组合风荷载，结构处于正常设计荷载范围内；结构变形差均在合理范围内，且结构在台风过后恢复正常变位，且处于弹性工作状态；各航道桥主梁、主塔加速度响应主要受阵风影响，其幅值较无风时的环境脉动效应要大，台风后结构振动响应恢复正常，大桥结构状态良好。

2013年11月22日10点30分左右，因原油泄漏黄岛发生爆炸。爆炸地点距离胶州湾大桥约10km。

1.加速度响应

黄岛管道爆炸时承台加速度无明显响应，说明此次爆炸的冲击波破坏能量主要在空气中传播，对胶州湾大桥的影响较小。

2.关键结构响应

胶州湾大桥结构健康监测系统如实记录了本次爆炸的结构响应情况。健康监测运营工程师及时查看距离爆炸位置最近的大沽河桥的结构响应状况，仔细分析和比对结构健康监测系统在管道爆炸前后的结构响应数据，发现实时监测设备均无明显异常反应。

(1）黄岛管道爆炸为蒸气云爆炸，其冲击波主要在空气中传播，破坏能量随距离呈较快的指数级衰减，对距离爆炸地点10km之外的胶州湾大桥影响很小，因此最灵敏到的承台强震仪也没有捕捉到明显的异常信号； 

(2）关键结构响应分析可知，黄岛管道爆炸作用下，大桥各关键的结构响应都无数据突变，爆炸未对胶州湾大桥结构造成不良影响，结构处于安全状态。

胶州湾大桥地处北方地区，每年降雪期达到35个月。路面积雪不仅影响大桥正常运营，危及驾乘人员安全，反复的冻融循环对沥青、混凝土等也有严重伤害。因此，除雪防滑是胶州湾大桥冬季保畅通保安全的一项重要工作。

与普通高速公路相比，桥梁尤其是钢桥梁在冬季温度更低，更容易结冰。养护单位在降雪期充分利用结构监测巡检养护系统分布于三个航道桥上的温度传感器，监测胶州湾大桥路面温度，指导除雪防滑工作。降雪时根据传感器采集到的实时数据可获取胶州湾大桥三座钢桥梁路面温度、箱梁温度、大气温度等数据，并可推算混凝土桥温度数据，根据路面温度、大气温度制定经济合理的除雪方案。在保证快速清除大桥积雪、保持胶州湾大桥畅通的前提下，尽量减少机械设备出动与融雪剂使用，从而节省养护开支，减少融雪剂对路面、混凝土的腐蚀作用，保护环境。

胶州湾大桥结构监测系统融合了实时桥梁结构健康监测、近实时安全评估技术，使用信息化和自动化手段实现大桥结构状态在线监测、养护巡检数据快速录入，历史数据分析等功能。帮助养护部门实时掌握大桥结构信息，及时发现结构病害，为制定养护计划提供决策依据，为胶州湾大桥的安全运营和科学养护提供技术支持。