韩家店I号特大桥健康监测系统工程的设计与实现

关键词：健康监测 大跨度连续刚构桥 光纤光栅传感器

　　1 前言

　　连续刚构桥综合了连续梁桥和T型刚构桥的受力特点，由连续梁体与薄壁桥墩固结而成。它具有改善行车条件、减少支座设置、减小梁跨中弯矩、降低梁建筑高度等优点。连续刚构桥常采用大跨径、高墩结构，高墩采用柔性薄壁，减小了主梁嵌固作用，使梁的受力接近于连续梁。

　　我国桥梁发展起步较晚，但随着近十几年来桥梁建设速度的逐步加快，主跨跨径在100m~300m范围内的连续刚构桥比比皆是。由于该桥型在一定跨度范围内具备独有的优势，因此在设计跨越大江、大河及山谷的桥梁时常优先考虑这种桥型。国内已建成的大跨径连续刚构桥见下表：

　　 国内已建的典型刚构桥 表1

　　

序号	桥梁名称	竣工年份	最大跨度（m）
1	沅陵大桥	1991	140
2	三门峡黄河公路大桥	1993	160
3	广东南海金沙大桥	1994	120
4	黄石长江大桥	1995	245
5	虎门大桥副航运桥	1997	270
6	重庆黄花园大桥	1999	250
7	下沙大桥	2003	232
8	下白石大桥	2003	260
9	石板坡长江复线桥	2006	330

　　近十几年来，连续刚构桥逐步向轻巧、纤细方面发展，但随着桥梁自重、跨长的不断增加以及设计、施工、材料等方面原因，连续刚构桥在使用过程中产生的典型病害如下：

　　（1） 跨中持续下挠；

　　（2） 跨中和L/4截面箱梁腹板和底板出现斜向和横向受力裂缝；

　　（3） 墩顶0号块梁段开裂。

　　其中，国内大跨度连续刚构桥典型案例如下：

　　（1）黄石长江大桥建于1995年，该桥运营一年后，箱梁内外侧腹板出现斜向裂缝。2002年再次检测时发现主跨跨中累计下挠最大达30.5cm。

　　（2）三门峡黄河公路大桥主桥于1999年检测时发现，腹板出现大量斜向裂缝。2002年再次检测时发现主跨跨中下挠最大达22cm。

　　（3）广东南海金沙大桥于2000年检测时发现跨中挠度达22cm，主跨箱梁腹板出现大量斜裂缝，最大裂缝宽度达1.15mm。

　　（4）虎门辅航道桥于2003年检测时发现左幅跨中下挠22.2cm，右幅跨中下挠20.7cm，远远超出设计预留的10cm徐变预拱度，箱梁腹板产生斜裂缝且跨中底板附近出现横向受力裂缝。

　　大跨径连续刚构桥梁病害的出现使桥梁的承载能力和耐久性降低，因此，建立大跨度连续刚构桥的健康监测和安全评价系统是必要的和紧迫的，大跨度连续刚构桥梁健康监测系统对研究连续刚构桥梁在实际过程中的静动力特性变化、长期工作性能、荷载水平、工作环境变异、桥梁工作状况、灾害预防和保证桥梁正常使用、科学决策桥梁养护和维修等具有重要意义。

　　 由于多种原因，我国目前对大跨度连续刚构桥梁建立监测和安全评估系统的案例还为数不多。本文将以韩家店I号特大桥为工程背景，介绍连续刚构桥梁健康监测系统的总体设计思路、监测内容、仪器选择、测点布置、信号采集与传输等内容的设计及实现，旨在对类似工程实施起抛砖引玉之用。

　　2 健康监测系统的应用及特点

　　自80年代中后期，国内外已相继建立各种规模的桥梁健康监测系统。安装最早且较为完整的监测系统之一是英国在总长522m的钢箱梁桥Foyle桥上设置的监测系统，通过埋设传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统最早实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。其他典型桥梁如丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉桥、美国主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、英国主跨194m的Flintshire独塔斜拉桥以及加拿大的Confederatiot Bridge桥。我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大桥、山东东营黄河公路大桥、广东虎门大桥、芜湖长江大桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥等等。

　　从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测系统具有以下一些共同特点：

　　（1）监测桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态，对结构响应信息进行记录并分析；

　　（2）除监测结构本身的状态和行为以外，还对结构环境条件（如风、车辆荷载等）进行监测和记录，以利于进一步分析评价结构环境对结构的影响；

　　（3）服务于大桥的施工监控、成桥静载动载试验验收和运营阶段的整个过程，力求连续、完整地获取大桥结构信息；

　　（4）具有自动采集、通讯与处理大容量信息能力，且实现数据的网络共享。

　　3 韩家店I号特大桥简介

　　 韩家店Ⅰ号特大桥是国家主干线出海通道G75兰海高速公路上的一座特大型桥梁，主桥为（122+210+122）m预应力混凝土连续刚构桥，全长为454m。桥梁全宽22.5m，箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，顶板宽22.5m，底板宽11m，箱梁顶面翼缘板设置2.0％的双向横坡。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高3.5m，箱梁根部及0号梁段梁高12.5m。主墩采用双薄壁墩身，群桩基础。该桥设计荷载：汽-超20级，挂-120，于2006年建成通车。

　　

　　 韩家店Ⅰ号特大桥主桥运营四年时间，出现了主跨跨中下挠，箱梁顶、底板开裂等病害。为延缓结构下挠，提高结构安全储备，对该桥进行加固维修设计，加固设计内容主要包括：

　　（1）桥面铺装改造；

　　（2）箱梁内增设体外预应力；

　　（3）箱梁腹板粘贴钢板并加厚；

　　（4）箱梁顶、底板粘贴碳纤维布。

　　目前，韩家店Ⅰ号特大桥主桥正在进行加固施工工作，桥面铺装正在凿除，体外预应力钢束齿板、转向块的混凝土浇筑工作正在进行，箱梁内侧施工支架、吊架已搭设完毕，为健康监测系统安装实施提供了便利。

　　4 韩家店I号特大桥健康监测系统设计

　　3.1 设计原则

　　（1）通过自动化监测系统获取桥梁结构响应的变化，进行结构安全评估；

　　（2）采用挠度传感器获取结构关键部位挠度状况，分析结构挠度变化趋势；

　　（3）对自动监测的数据进行分析，为大桥的加固及养护维修决策提供依据。

　　3.2 设计思路

　　为了确保韩家店Ⅰ号特大桥运营状态监测与健康诊断系统的科学性、适用性以及良好的性价比，需要正确的设计思想，因此系统的监测参数及测点布置、系统硬件、软件及控制系统、安全评估方法都必须综合考虑。基于此认识，对系统监测参数、测点布置、硬件系统及软件作如下考虑：

　　（1）系统监测参数

　　韩家店Ⅰ号特大桥的监测重点是恒载下的结构静态参数，通过在关键截面布置位移测点和应变测点分别来获得桥梁安全评价重要指标——桥梁的挠度、线形、应力以及全桥的温度场。此外，考虑到外界环境温度对桥梁的挠度和应变影响很大，在全桥的关键部位布置温度测点以期获得全桥的温度场，实现对挠度和应变进行模型修正。

　　（2）系统硬件选择

　　应力应变传感器及挠度传感器拟选用传统的有线传输设备与无线传输设备相结合的系统和产品。一方面无线传输设备实现了监测系统网络连接，实时数据传送；另一方面，有线传输设备又为整个监测系统的数据稳定输出提供了保证。

　　将计算机、处理器、通信模块、电源模块等设置在桥梁现场机房，承担大桥监测数据的集中采集、存储和预处理。为便于交通管理部门对大桥健康安全状态统一管理，在大桥附近的隧检所设置一监控中心承担桥梁的安全监控任务，同时实现对桥梁监测数据的备份，避免由于计算机故障或停电的原因造成监测数据丢失。

　　（3）系统软件

　　系统软件采用功能化、模块化的结构设计并设置相关的调试、诊断模块，方便调试、维护、升级，界面设计简洁而友好。

　　（4）预警报警

　　桥梁结构一旦发生异常情况，数据采集系统会捕捉异常信号，同时会以灯光、声音和网络信息的形式进行预警。

　　总之、本系统最终要实现的功能是基于无线通讯技术，对大桥关键部位的位移、应变、温度等参数进行无线远程自动实时监测；根据有限点监测数据，对桥梁关键部位及整体的安全状况进行评估，评估结果可视化，根据安全等级进行自动报警，并与其日常养护管理形成联动机制。

　　3.3 监测内容

　　韩家店I号特大桥主要进行整体线形监测和结构应力监测。此外，还考虑桥梁加固预应力张拉效果测试：① 对新施加体外预应力进行应力监控；② 对顺桥向伸缩量进行监控。

　　4 韩家店I号特大桥健康监测系统构成

　　韩家店I号特大桥健康监测系统构成图1所示。

　　

　　图1 韩家店I号特大桥健康监测系统构成图

　　4.1 测点布置原则

　　（1）结合连续刚构桥受力特点，在跨中、1/4跨、墩顶等关键性断面集中布置测点。尽可能布点均匀，左右对称。

　　（2）在结构受力产生最大位移或最大应力处布置测点，特别在结构易发生病害位置处布置测点，通过监测桥梁病变位置的内力、变形状态，达到安全预警预报的目的。

　　（3）在满足监测要求的前提下，尽量减少测点以降低成本。

　　（4）满足易拆、可换的原则。

　　4.2 测点布置方案

　　（1）应力测点布置方案

　　根据对该桥特点和结构分析结果，确定桥梁营运阶段的最不利截面为6个。

　　

　　图2 主要控制截面示意

　　在9号墩上部支点截面（S2）安装5个应变传感器（左右腹板各1个，箱梁顶板安装3个；在跨中截面（S4）安装6个应变传感器，其中包括箱内顶板及底板各三个；其他截面，如边跨跨中截面和中跨1/4L截面（S1、S3、S5、S6）各安装4个应变传感器，其中包括箱内顶板及底板各两个，测点布置如图3所示。

　　

　　图3 主要控制截面应力测点布置示意

　　（2）挠度测点布置方案

　　挠度测点布置主要为测量桥梁的线形，根据结构受力分析，在桥梁纵向6个关键截面布置挠度传感器。如图4所示。

　　

　　图4 主要控制截面挠度测点布置示意

　　（3）温度、湿度测点布置方案

　　温度是影响桥梁挠度的主要因素之一，因此，需对桥面和箱内、桥梁的阴面和阳面进行温度监测，获得与应力及位移相对应的大气温度以及主跨箱体温度，为应力和挠度的测试进行补偿修正，并校核设计取值，评估温度荷载引起的结构变形、应力变化和对结构安全的影响。

　　温、湿度测点截面布置在主桥边跨跨中、中跨跨中处。温度传感器、湿度传感器装在这些截面所在的主梁腹板、内外缘。

　　

　　图5 温度、湿度测点布置示意

　　4.3仪器的选择及主要性能指标

　　传感器的选择要遵循技术先进、经济合理、性能可靠适用、长期稳定等原则

　　来进行选取，韩家店I号特大桥主桥健康监测系统选用的仪器类型如下图所示：

　　

　　图7 传感器

　　 仪器主要性能指标表 表2

　　

仪器名称	型 号	量 程	分辩率	精 度
静力水准仪	YH-2120A	200mm	0.01mm	0.2mm
应变计	YH0212	3000με	1με	1%
湿度计	YH-4900A	0-90%	1%	5%
温度计	YH-5100A	-20℃~+80℃	0.5℃	0.01%

　　4.4 数据的采集与传输

　　连续刚构桥监测系统包含的传感器种类相对单一、分布范围也相对较集中，只在全桥范围内设一个采集工作站。数据采集系统由布设在大桥桥头的采集工作站和各监测点到工作站间的传输网络组成。工作站中设光纤光栅传感网络分析仪和挠度总线采集模块，分别对光纤光珊类传感器信号和挠度信号进行采集、解调以及显示。本桥健康监测系统建立了一套实用的采集制度：正常情况下监测每天温度最高和温度最低时段，交通高峰期时段；其余时段根据设计值及验收相关数据对各类参数设置采集阀值，当结构响应大小超过该阀值时开始采集。

　　

　　图8 数据采集架构

　　通讯服务器软件运行在具有公网IP的中心主站计算机上，负责在传输网络中接收并解析下端数据采集仪上传的实时数据，并将解析后数据写入数据库中以备监控中心软件查询分析的软件。此外，通讯服务器还作为数据采集仪远程设置和升级的转发控制功能，其传输协议按国家环保局数据采集仪通讯协议执行，并在此协议基础上满足远程设置及升级的协议命令的转发。

　　

　　图9 数据传输架构

　　4.5 数据分析处理系统

　　桥梁健康监测的目的是为了及时发现桥梁的安全隐患。其数据分析处理结果的有效性和本身的效率对整个数据分析处理性能的发挥起着关键作用，应能从监测数据中准确而有效地寻找出异常（观测）值，捕捉桥梁一切可能产生病变的线索，对异常数据进行可靠性分析，初步判断异常值产生的原因，根据原因做出相应的处理。

　　大桥结构的评估控制系统应密切结合本桥的特点和设计理论控制值、环境温度等因素，对桥梁构件的不正常表现做出及时诊断并找出其根源，及时发现灾难性破坏的隐患，其系统的主要功能有以下几部分：

　　1）制定桥梁结构技术状态的评价指标：主要是对主梁变形、应力变化及动力参数等关键指标做出限制，对桥梁结构各部件制定评定标准，采用综合评定方法评定全桥总体技术状况。

　　2）设定日常报警系统，用于桥梁的日常运营管理。

　　5 结语

　　随着国民经济快速发展，人们对于桥梁结构的安全性、耐久性和适用性也提出了更高的要求。同时，人工检测的低效性远远落后于桥梁的建设与发展，因此开展大跨度连续刚构桥健康监测系统的研究工作就显得尤为迫切。本文结合连续刚构桥梁结构受力特点，以韩家店I号特大桥主桥为依托工程背景，根据健康监测系统以往实际工程应用及特点，阐述了大跨度连续刚构桥健康监测系统的总体设计思路、监测内容、仪器选择、测点布置、信号采集与传输等内容的设计及实现，以期为同类桥梁的健康监测、设计和养护维修提供宝贵的借鉴经验，更好地推进连续刚构桥梁健康监测系统的发展。