唐 英，胡安慶，張三峰

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

為適應(yīng)城市交通發(fā)展的需要，許多大中型城市都修建了快速軌道交通，在增大了交通能力的同時(shí)也增加了既有城市橋梁與軌道的立交，形成了城市交通重要節(jié)點(diǎn)，該類橋梁的安全重要性也隨之提升。然而，由于橋梁使用年限和交通流量的增長(zhǎng)，以及超載現(xiàn)象屢屢發(fā)生，給運(yùn)營(yíng)期間的橋梁造成許多安全隱患。為了保障此類安全性要求極高橋梁的安全，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修(加固)提供科學(xué)依據(jù)，構(gòu)建橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外橋梁工程與管理領(lǐng)域的前沿課題和研究熱點(diǎn)。

本文結(jié)合成都市某鋼管混凝土拱橋，對(duì)跨軌道城市橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對(duì)其養(yǎng)護(hù)模式進(jìn)行探討。

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋位于成都市干道，跨越城市軌道交通，其結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土簡(jiǎn)支拱梁組合體系，橋長(zhǎng)133.7 m。橋梁主拱由1片中肋和2片邊肋組成，3片主拱肋由橫向聯(lián)系和K型支撐聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體。拱軸線為懸鏈線，矢跨比為1/5，矢高6.4 m，拱肋為等截面，由2根 φ110 cm×12 mm的鋼管和1個(gè)50 cm×60 cm×20 mm的鋼腹箱組成啞鈴形，內(nèi)壓注C50微膨脹混凝土。系桿為64根無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，置于縱梁內(nèi)，吊桿為3×21組無(wú)黏結(jié)鋼絞線，橫梁為C30預(yù)應(yīng)力混凝土空心梁。

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模不應(yīng)一味追求“高大全”，應(yīng)在實(shí)現(xiàn)其功能的同時(shí)，盡可能地節(jié)約投資。為了達(dá)到最大“費(fèi)用—效益比”，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的確定應(yīng)結(jié)合具體橋梁的特點(diǎn)、氣候和地理環(huán)境以及運(yùn)營(yíng)階段長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，確定橋梁在典型載荷下的關(guān)鍵構(gòu)件部位、相對(duì)危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

本橋監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要分為:環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)及損傷監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能監(jiān)測(cè)。具體內(nèi)容及選用儀器介紹如下述。傳感器布置見圖1。

1)環(huán)境監(jiān)測(cè)

在主拱肋和路面布設(shè)溫度傳感器測(cè)量季節(jié)及日照引起的溫度變化，采用光纖光柵溫度傳感器。

2)結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)及損傷監(jiān)測(cè)

①拱肋:主要監(jiān)測(cè)5個(gè)截面(拱腳、L/4、跨中、3L/4)，每個(gè)截面測(cè)點(diǎn)為3個(gè)，布置見圖2，采用光纖光柵應(yīng)變傳感器。

②吊桿:吊桿處于高應(yīng)力狀態(tài)，易于發(fā)生破壞，吊桿上布設(shè)光纖光柵索力計(jì)監(jiān)測(cè)索力。

③橫梁:承受強(qiáng)大的吊桿拉力集中作用，同時(shí)作為抗彎構(gòu)件，跨中截面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)也對(duì)橋梁安全評(píng)估起著重要作用。選取橋梁的跨中、1/4跨和3/4跨處共3片橫梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)截面為橫向吊桿間跨中，采用光纖光柵應(yīng)變傳感器，見圖2。

④橋梁線型:監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括拱腳、L/4、跨中、3L/4處橋面的豎向位移、墩頂變位，采用水準(zhǔn)儀、傾角儀觀測(cè)。

圖1 傳感器數(shù)量及布置

圖2 拱肋、橫梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

3)橋梁動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

通過對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)掌握系梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，為大橋的健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。采用加速度計(jì)、位移計(jì)。

本橋跨越軌道交通，處于較強(qiáng)的電磁場(chǎng)環(huán)境中，為減少信號(hào)所受的干擾，防止信號(hào)出現(xiàn)衰減失真等情況，選用傳感器和傳輸設(shè)備的電磁敏感性必須為中性，信號(hào)傳輸盡可能選用光纖傳輸。

2.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、損傷識(shí)別和性能評(píng)定子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、診斷和狀態(tài)評(píng)估功能。傳感器子系統(tǒng)包括溫度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等各類傳感器;數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集儀及通信網(wǎng)絡(luò)等;數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理、采集控制、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與查詢等;損傷識(shí)別和性能評(píng)定子系統(tǒng)包括損傷識(shí)別、健康狀態(tài)評(píng)估及管理決策建議等。

本健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)，構(gòu)成如圖3所示。

采集系統(tǒng)中，既有數(shù)字信號(hào)的采集，也有模擬信號(hào)采集，因此采集系統(tǒng)也相應(yīng)地分為兩種方式，即模擬信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)接收。軟件是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，LabVIEW是一種采用圖形化編程技術(shù)，與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著相似數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、層次化、模塊化等特點(diǎn)，且克服了傳統(tǒng)編程語(yǔ)言不夠靈活的缺點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件用LabVIEW開發(fā)，并運(yùn)用基于DataSocket技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式完成數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控中心之間的通信。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，能夠用圖形、報(bào)表等方式適時(shí)顯示橋梁重要參數(shù)的變化趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)處理和上傳方面，采用在橋址附近控制室對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，僅將異常狀態(tài)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)，對(duì)正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)只按設(shè)定的采集時(shí)段進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳和存儲(chǔ)，從而避免了大量數(shù)據(jù)直接進(jìn)入控制中心服務(wù)器，有效地避免數(shù)據(jù)泛濫，提高了系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。

3 健康監(jiān)測(cè)在橋梁日常管理養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

健康監(jiān)測(cè)，目前尚不能完全解決所有結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題，與橋梁管理養(yǎng)護(hù)也未能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，因此，橋梁的安全評(píng)估、管理養(yǎng)護(hù)應(yīng)輔以其它方式，如定期檢測(cè)、荷載試驗(yàn)、日常巡查等。

本橋管理養(yǎng)護(hù)采用“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)+人工定期檢測(cè)”的模式。人工定期檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)性”，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析可在短時(shí)間完成，并且隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁安全狀態(tài)評(píng)估的“實(shí)時(shí)性”要求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如發(fā)現(xiàn)異常，將根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行人工專項(xiàng)檢測(cè)予以驗(yàn)證，定期檢測(cè)結(jié)果也將納入評(píng)估系統(tǒng)，兩種方法相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充。該模式在橋梁日常管理養(yǎng)護(hù)過程優(yōu)勢(shì)明顯，尤其在5.12汶川地震和4.20雅安地震等突發(fā)事件中，系統(tǒng)迅速對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行了評(píng)估，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，輔以針對(duì)性檢測(cè)、維護(hù)，既保障了交通暢通，又確保了橋梁安全。為了防止超載車輛通過，本系統(tǒng)擬在此基礎(chǔ)上增加超載控制系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制超載車輛通行。

圖3 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該跨線橋結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點(diǎn)，有針對(duì)性地構(gòu)建了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，能夠用圖形、報(bào)表等方式適時(shí)顯示橋梁重要參數(shù)的變化趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)處理和上傳方面，采用就近對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，僅將異常狀態(tài)和設(shè)定的采集時(shí)段狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳和存儲(chǔ)，有效地避免數(shù)據(jù)泛濫，提高了系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)將在超載控制方面進(jìn)一步拓展，這在今后橋梁的評(píng)估、管理養(yǎng)護(hù)中，將有著廣闊的運(yùn)用前景。

經(jīng)實(shí)踐證明，通過建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔以其它方式的管理養(yǎng)護(hù)模式，提高了橋梁的整體管理技術(shù)水平，有效地應(yīng)對(duì)了突發(fā)事件，為該類橋梁管理養(yǎng)護(hù)提供了參考。

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