大跨径预应力混凝土连续刚构桥健康监测系统设计与研究

关键词：连续刚构 健康监测系统 自动 人工

　　1 桥梁概况

　　

　　图1 安稳大桥主桥概貌

　　安稳大桥主桥跨径组成为122m+210m+122m，为预应力混凝土连续刚构桥，主墩采用双薄壁墩身，桩基础，桥台采用砌石圬工重力式桥台，扩大基础。

　　主桥梁体采用单箱单室三向预应力变高度箱梁。箱顶宽22.5m，底板宽11m，翼缘板悬臂长5.75m，箱梁顶板设置2%双向横坡，桥面纵坡3.4936%。箱梁跨中及边跨现浇段梁高4.0m，箱梁根部梁高13.0m，其间梁高按半立方抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚120cm，从箱梁根部到10#梁段腹板厚70cm，从11#梁段至20#梁段腹板厚60cm，从21#梁段至37#梁段腹板厚50cm。每段箱梁的腹板上设有抗剪齿口。箱梁底板除0#块梁段为150cm外，其余各梁段底板从箱梁根部截面的120cm渐变至中跨跨中及边跨支点截面的32cm。主桥下部结构1#、2#主墩均为双薄壁墩，1#墩墩身厚2.8m，两薄壁间净距6.4m,2#墩墩身厚2.0m，两薄壁间净距8.0m。主桥桥墩承台厚度均为4.0m，基础采用四排16根直径2.3m桩基础。

　　

　　图2 安稳大桥桥型布置图

　　2 桥梁病害及维修加固情况

　　大桥于2007年进行了检测，根据病害情况进行了维修加固设计及施工，具体情况如下：

　　病害情况：中跨跨中梁段混凝土强度偏低；顶板与底板混凝土的匀质性较差，且关键截面关键部位的应力较大；腹板混凝土的匀质性较差；中跨跨中底板及横隔板等位置存在裂缝。

　　加固情况：凿除中跨跨中底板质量较差混凝土，清洗结合面，种植钢筋，浇筑改性环氧混凝土修补；对存在病害的梁段缺陷区域采用微膨胀水泥砂浆或C55自密实聚丙烯晴混凝土进行修补后，在底板顶面、底板底面、腹板外侧、翼缘板底面等局部区域纵向粘贴钢板加固；在箱梁外侧腹板局部粘贴碳纤维布补强；在全桥横隔板上粘贴碳纤维布补强；对其它裂缝均采用灌缝封闭处理。

　　

　　3 健康监测系统的建立及健康状态评价

　　结构健康监测系统是一个以工程结构为对象，应用现代传感技术及计算机分析技术，为工程养护管理提供数据及安全评估的综合监测系统，它实时监测工程结构在各种环境、荷载等因素以及在这些因素作用下的结构响应，并能有效地提供工程养护管理的科学依据，显著提高工程的整体管理水平，从而能够最大限度地确保工程结构安全运营、预诊断病害和延长工程使用寿命。

　　通过以上内容，建立安稳大桥的健康监测系统，系统的建立总体来说按照以下几个步骤来实现：

　　（1）前期计算处理：基于该桥的竣工图纸进行计算分析，掌握该桥的可能破坏形式，获得关键部位的结构分析数值，为传感器的类型、数量和精度的选择提供依据；

　　（2）现场检测：通过对该桥梁的现场检测，掌握桥梁的基本技术状况，便于对已存在的或发生可能较大的结构缺陷和病害，进行有针对的健康监测；

　　（3）监测系统设计：在以上两步的基础上，结合拟投入的系统造价进行监测系统的传感器选择和合理布置的设计工作；

　　（4）系统的搭建：按照系统设计方案，进行系统的安装，及保护措施的建设；

　　（5）对结构进行健康检测数据的采集。

　　通过以上步骤，得到原始的采集数据，将自动持续采集到的数据进行整理、分析，并将长期和定期监测的数据和损伤的发展趋势进行对比分析及预测，评估损伤的危险程度，依据评估的结果对桥梁主跨结构的健康状态进行评价，为大桥后续的养护、维修及加固提供可靠的资料。

　　4 结构计算分析

　　为了解结构的理论受力状况，采用桥梁有限元综合计算程序对大桥进行结构分析，根据计算结果，并结合桥梁目前的病害及加固情况，为合理的选取健康监测的观测点及观测断面提供依据。主桥结构离散图见图7。

　　

　　图7 结构离散图

　　计算结果表明，正常使用极限状态，结构主要控制截面均未出现拉应力，压应力满足规范要求，主桥控制截面的最小正应力为1.46MPa；承载能力极限状态，主桥中跨跨中、边跨跨中及墩顶截面的承载能力均满足规范要求。

　　5.健康监测系统设计

　　5.1 健康监测方法的选取

　　考虑到本桥成桥后运营时间较长，环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故，故需要建立和发展一个长期健康监测系统，对大跨径桥梁结构采用有效的手段监测和评定其安全状况，修复和控制其损伤，从而延长期寿命。

　　结构健康监测是一门跨越结构技术、传感技术、通讯技术及计算机分析技术的综合学科。通过采用健康监测手段，对桥梁运营安全进行监督，同时收集重要的结构荷载和结构响应相关信息，对桥梁养护维修工作进行指导，有着特殊的重要性和必要性。

　　桥梁结构作为一种大尺寸、复合材料组成的复杂受力系统，对其所有的性能指标进行实时安全评估需要大量的监测数据。自动监测，存在着一定的技术难度，且经济投入巨大，同时健康监测技术本身目前在海量数据处理和高精度损伤识别方面仍存在着不足。因此，本着简洁、实用、性能可靠、经济合理的设计理念，我们提出将定期的自动持续监测、长期的远程自动持续监测与定期的人工检查及测量相结合的方法进行健康监测的策略。通过这种方法可以有效地掌握桥梁结构的健康状态，从而为养护、维修以及加固提供服务。整体的监测原则如下：

　　◆ 通过自动化监测系统获取桥梁结构响应（应力、裂缝等）的变化，并进行结构安全方面的评估；

　　◆采用自动化挠度监测系统及人工定期测量结合的方式测量结构线形，分析结构挠度变化趋势；

　　◆ 对于局部损伤、表面锈蚀、腐蚀等及其他无法用传感器准确测量的病害及损伤，采用人工检查；

　　◆ 对自动监测及人工检查和测量报告的数据进行分析，为大桥的加固及养护维修决策提供依据。

　　5.2 定期的自动持续监测

　　5.2.1 对大桥主跨结构的跨中截面和墩顶截面的应变进行监测

　　主梁结构应力监测是健康监测的一个重要内容，它是通过测定应变值再转化为主梁应力。监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部分和重点部位内力的监测，研究主梁结构的内力分布、局部结构及连结处在各种荷载下的响应，为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。同时，通过控制点上的应力和应变状态的变异，检查结构是否有损坏或潜在损坏状态。

　　(1)测试仪器的选择

　　为了保证工程健康监测长期顺利的实施并要求足够的精度，经过比较，选用上海紫珊公司生产的FBG 表面安装式光栅光纤应变传感器（如图10）、便携式解调仪（如图11）。

　　

　　光纤光栅应变传感器主要性能指标见表1。

　　表1 光纤光栅应变传感器技术参数

　　

技术指标
应变量	+/-1500 me
分辨率	< 0.1% FS
精度	< 1% FS
重复性	≤0.2% FS
温度范围	–30°C ～ +70°C
类型	温度补偿/无温度补偿
外形尺寸	φ22*100mm

　　光纤光栅传感信号处理器是整个解决方案的处理中心，通过分析仪对光纤光栅传感器的信号进行检测和数据处理，能够直观的获得测量结果，在工程实践中也称作解调设备，本项目采用便携式解调仪。便携式解调仪的技术参数见表2。

　　表2 便携式解调仪技术参数

　　

技术指标
通道数	1-2
波长范围	≥40 nm@C-Band
分辨率	1pm
重复性	3pm（典型）
扫描频率	1-2Hz
显示	6.4寸液晶触摸屏幕
接口	USB×1、LAN×1
工作温度	–20°C ～ +50°C
尺寸（长×宽×高）	300mm×18mm×70mm

　　(2)测点的布置

　　应变测量与结构安全直接相关，因此，其测点的合理布置十分重要。根据结构的特点，重点测量安稳大桥的主跨结构跨中截面及墩顶箱梁截面，共布置12个测点。应变测点布置见图10～13。

　　

　　5.2.2 对大桥主跨结构中合拢区段箱内外裂缝的产生和发展进行监测

　　(1)测试仪器的选择

　　为了保证工程健康监测长期顺利的实施并要求足够的精度，经过比较，选用上海紫珊公司生产的FBG 裂缝计（如图14）。

　　

　　图13 裂缝传感器

　　其主要性能指标见表3。

　　表3 裂缝计技术参数

　　

技术指标
裂缝位移量	0~25mm
分辨率	≤0.1％F.S.
精 度	＜0.5％F.S.
工作温度范围	-30℃~＋80℃
规格尺寸（长×宽×高）	≤200mm×80 mm×60 mm
光缆传输距离	≤20km
最大弯曲半径	≤300mm
裂缝位移量	0~25mm

　　(2)测点的布置

　　裂缝的开展情况可以直观的反映出结构的安全状况，对结构的健康监测来说非常重要。根据结构的特点，结合原桥的检测报告，测点布置在中跨跨中合拢段箱梁底板底面横向裂缝处，全桥共布置3个测点。裂缝测点布置见图15～16。

　　

　　图14 裂缝测点布置图

　　

　　图15 跨中截面测点布置图

　　5.3 长期的远程自动持续监测

　　目前我国前期已建成的大跨径连续刚构桥，一般在施工刚完成时情况良好，但运营几年后，均不同程度地会出现跨中下挠偏大的现象。桥梁过大的挠度将影响车辆的正常行驶。对桥梁挠度进行长期监测，当挠度超过一定限值时，及时给予安全警告，以此确保大桥安全运营。

　　(1)挠度长期监测系统

　　挠度长期监测采用YH-2100A系列高智能型静力水准仪系统，该系统是一种采用静力水准原理的方法精密测量结构垂向位移的自动化测量系统。右静力水准仪、连通水管、总线接口数据采集模块组成，系统采用了基于连通管液位测量原理的连通液位沉降计，在安稳大桥主桥的箱梁内部安装连通管，并在关键位置引出支管，安装10个精密液位计，连通液位沉降计是一种电感调频类智能型位移传感器，由精密液位计、液位罐和连通管组成。安装时将精密液位计设置在被测点，液位罐设置在水平基点，并用连通管连接。其原理是通过液位的变化测量被测点相对水平基点的沉降变形。系统可将总线接口模块巡检的测点位移记录（每个记录包括测点编号、测量时间、位移值）传送至上位机，通过与基准值进行公式计算建立测点垂向位移数据库或Excel数据文件，由图形输出软件显示测点随时间变化的曲线和结构沉降或挠度位移变化曲线。系统实现见图16。

　　

　　图16 挠度监测系统

　　(2)测试仪器的选择

　　

　　主要性能指标分别见表4～5。

　　表4 静力水准仪技术参数

　　

型 号	量 程	分辩率	精 度	温度范围	外型尺寸(mm)
直径	高
YH-2120A	200mm	0.01mm	0.2mm	100	420

　　表5 固定式测斜仪技术参数

　　

型号	测量维数	测量范围	分辨率	温度范围	外型尺寸(mm)
YH50106A	X/Y二维	±60°	0.01°	-20℃～80℃	φ32×200

　　(3)测点的布置

　　挠度监测点布置在贵阳岸边跨及1/2中跨腹板上，在中跨跨中、L1/4、L3/8跨、中墩墩顶、边跨跨中及边跨梁端位置布置静力水准仪及测斜仪，测点布置见图19。

　　

　　图19 挠度测点布置图

　　4.4.定期的人工检查及测量

　　由于桥梁结构的大尺寸、复杂性等特点，对结构的所有技术指标进行实时自动监测存在以下几点不足：通过监测数据进行损伤识别，精度无法完全满足要求，且无法直观呈现结构损伤；部分自动监测技术尚不成熟，精度无法达到要求；对于部分结构损伤，尚无成熟技术进行监测；系统造价昂贵，性价比不高。

　　因此，为弥补自动持续监测的不足，同时提高监测效率和性价比，确保结构安全运营，采用定期的人工检查及测量对定期的自动持续监测系统进行必要的补充。

　　人工检查及测量的主要目标：

　　(1)对于自动监测系统预报或发现的结构损伤进行核实和直观测量；

　　(2)定期对桥梁结构的线形进行测量；

　　(3)定期对桥梁结构进行常规检查，发现、测量和分析结构病害，评估桥梁安全性。

　　为了全面掌握大桥目前的变形情况，前期对大桥的桥面线形进行了测量，测量时间选在清晨及傍晚车流量相对较少、温度变化不大的时段。

　　本次测量选用自安平水准仪，测点布置在大桥桥面左、右幅外侧护栏底部，主桥主要控制截面（跨中、1/4跨、1/8跨、墩顶等截面）布置挠度测点，为了使测量线形的连续性，适当增加了测点数量，本次测点布置时，在左、右幅外侧护栏底部桥面上各选定33个测点，全桥66个测点，测点布置见图20。

　　

　　图20 桥面线形测点布置图

　　6.健康监测系统首次测试结果

　　(1)桥面线形测量结果

　　通过分析测量数据，拟合目前的桥面线形曲线，发现目前大桥中跨跨中上拱值约20cm，另根据竣工图，该桥竣工时中跨跨中上拱值为33cm，推断该桥通车6年来，中跨跨中较竣工时下挠约13cm。

　　桥面线形测量结果详见图21。

　　

　　图21 主桥桥面线形曲线

　　距安稳大桥约30km的崇遵高速韩家店Ⅰ号特大桥，目前通车运营4年。该桥主桥桥型及跨径组成均与安稳大桥主桥相同，中跨跨中设计预拱度为32cm。2008年该桥进行了检测，经桥面线形测量发现，与大桥竣工时相比，中跨跨中下挠约31cm，原桥设计的预拱度基本消耗殆尽。

　　通过对两座大桥设计图纸进行对比发现，两座桥主桥跨径相同，但安稳大桥主梁梁高相对较高，主梁刚度相对较大，预应力钢束配置相对较多，且顶板预应力钢束设置了下弯束，对抑制主梁跨中下挠起到一定作用，减缓了跨中下挠速度。

　　(2)应力测试结果

　　便携式解调仪采用三个通道来连接光纤光栅应变传感器及裂缝计，第一通道连接中墩支点处箱梁顶板底面应变测点，第二通道连接箱梁跨中底板底面裂缝测点，第三通道连接箱梁跨中底板底面的应变测点，应变传感器采集频率为50Hz，裂缝计采集频率为1Hz。三个通道的采集界面见图22。

　　

　　图22 便携式解调仪采集界面

　　本次应力测试为首次自动持续测试，测试期间主梁应力测点测试数据基本正常，当有重车通过时，结构产生明显的应力响应，应力变化趋势与理论变化规律基本一致，测点最大应力响应值小于相应的理论计算值。

　　

　　图23 S1-1应力测点1000s时段应力测试结果

　　8.结语

　　(1)和同类型相同跨径的桥梁相比（如韩家店Ⅰ号特大桥），安稳大桥主桥箱梁梁高较高，刚度较大，预应力钢束配筋率较高，且设置了顶板下弯束，健康监测首次桥面线形测量结果表明，主桥中跨跨中下挠趋势相对较缓，说明增加梁高以增大主梁刚度、设置顶板下弯束对抑制主梁下挠起到了一定作用。

　　(2)应力应变首次测试结果表明，车辆通过时，结构产生的应力响应趋势与理论变化规律基本一致，说明选用光纤光栅传感器及其配套产品和采用定期自动持续监测的方法来监测大跨径连续刚构桥的应力状况是可行、可靠的；测点应力响应值小于理论计算值，说明在首次测试期间主梁在汽车荷载作用下的应力状态满足设计要求。

　　(3)远程自动挠度监测系统正在进行前期准备工作，其实施的可行性和监测效果尚待验证。

　　(4)定期的人工检查及测量作为大跨径连续刚构桥健康监测系统中的一项辅助监测手段，对自动监测起到校核和验证作用，是很有必要的。