韓　駿， 韓　璐

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550014)

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貴州高速公路在役懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)對比分析

韓駿， 韓璐

(貴州高速公路集團有限公司，貴州貴陽 550014)

在目前健康監(jiān)測傳感器和監(jiān)測方法快速發(fā)展的情況下，如何從經(jīng)濟性、適用性、穩(wěn)定性等方面進行監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設計和傳感器的合理選取是尤為重要的課題。通過對比兩座在役橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)鋼桁梁懸索橋監(jiān)測系統(tǒng)的構成、監(jiān)測項目及常用監(jiān)測設備，分析某些監(jiān)測設備的優(yōu)缺點和適用情況，以期為后續(xù)同類型特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計、后期維護升級及管養(yǎng)人員培訓工作提供參考。

鋼桁梁懸索橋；健康監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；傳感器選型

貴州地處中國西南內(nèi)陸，山地、丘陵多，溝谷跨度大，貴州高速公路多年來建成了很多建造難度高、技術含量高的特大橋梁，這些橋梁結(jié)構形式的獨特性及重要地位對橋梁的安全性、耐久性、可維護性提出了較高的要求。

運營期安全監(jiān)測及養(yǎng)護管理系統(tǒng)是一套配合大橋存在的永久性監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合多種智能化監(jiān)測技術手段，對大橋的運營環(huán)境和結(jié)構關鍵力學狀態(tài)響應參數(shù)進行全天候自動化監(jiān)測。系統(tǒng)可自動完成數(shù)據(jù)采集、存儲、分析處理、狀態(tài)評估與預警報警工作，并利用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+模式實現(xiàn)電子化人工巡檢，指導大橋管養(yǎng)單位及時采取有效措施管控交通，并對突發(fā)事件和結(jié)構異常進行處理，最大限度減少損失和不良影響；及時掌控橋梁的運營狀態(tài)，達到防患于未然的目的；提高檢查、養(yǎng)護、維修等功效，避免橋梁損傷的擴大化；合理分配使用橋梁養(yǎng)護維修資金，節(jié)省大修產(chǎn)生的巨額投資；延長大橋的服務年限，保證生命線工程的正常運營及交通大動脈的安全暢通。

貴州高速公路在役橋梁健康監(jiān)測項目啟動較晚，計劃近幾年內(nèi)陸續(xù)在多座特大橋梁上增設該系統(tǒng)，在目前健康監(jiān)測傳感器和監(jiān)測方法快速發(fā)展的情況下，如何借鑒實際應用經(jīng)驗從經(jīng)濟性、適用性、穩(wěn)定性等方面進行新系統(tǒng)的優(yōu)化設計和傳感器的合理選取顯得尤為重要。

本文通過對比分析兩座橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，總結(jié)大跨度鋼桁梁懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構成、監(jiān)測項目及常用監(jiān)測設備，分析某些監(jiān)測設備的優(yōu)缺點和適用情況，以期為后續(xù)同類型特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計、后期維護升級及管養(yǎng)人員培訓工作提供參考。

1　工程概況

A橋和B橋均為單跨簡支鋼桁梁懸索橋，主梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分；主桁架采用整體節(jié)點板連接，為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成；在鋼桁梁主桁架端部下弦桿底面對應端豎腹桿的位置各設置一個豎向支座，全橋共計4個。

A橋主跨1 088 m，懸索跨徑組成為(248+1 088+228) m，主纜矢跨比為1/10.3，主纜橫橋向間距為28.0 m，吊索順橋向間距為10.8 m，東錨碇為重力錨，西錨碇為隧道錨。鋼桁架由主桁架、主橫桁架和上、下平聯(lián)組成，主桁架的桁高為10.0 m，標準節(jié)間長為10.8 m，兩片主桁架左右弦桿中心間距與主纜間距相同，為28.0 m。正交異性鋼橋面板由橋面板、U型加勁肋、縱向板肋、橫隔梁和倒T形縱梁組成，倒T形縱梁與主橫桁架上橫梁的上翼緣板之間設置拉壓式盆式橡膠支座。正交異性鋼橋面板在橫橋向分為左右兩幅，每幅橋面板在端部10個節(jié)段作為一聯(lián)，中部每20個節(jié)段作為一聯(lián)，全橋共設置6聯(lián)，每兩聯(lián)之間設有伸縮縫。A橋健康監(jiān)測系統(tǒng)于2009年完成設計，2011年進入試運行階段，2015年10月完成系統(tǒng)的維護升級工作。

B橋主跨1 130 m，懸索跨徑組成為(258+1130+345) m，主纜矢跨比1/10，主纜橫橋向間距為27.0 m，吊索順橋向間距為15.2 m。主桁架的桁高7.0 m，標準節(jié)間長7.6 m。兩片主桁架弦桿中心間距27.0 m。正交異性鋼橋面板由橋面板、U型加勁肋、三道縱梁和兩道次橫梁組成，橋面板與主橫桁架上橫梁頂面平齊，板桁結(jié)合。B橋健康監(jiān)測系統(tǒng)于2015年底完成設計安裝工作，目前正處于試運行階段。

2　系統(tǒng)構成

橋梁結(jié)構的健康監(jiān)測系統(tǒng)服務于橋梁的安全運營狀態(tài)監(jiān)控和養(yǎng)護管理，其設計和構建是一套集先進傳感技術、計算機技術、信息技術以及結(jié)構力學分析計算、結(jié)構狀態(tài)評估理論于一體的綜合系統(tǒng)工程。結(jié)合本身結(jié)構特點，以及大橋預警、評估和管養(yǎng)決策方面的要求，對比A橋和B橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，總結(jié)鋼桁梁懸索橋由以下5個子系統(tǒng)構成[1-2]：

自動化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)傳輸工作，對監(jiān)測信號進行預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指標，根據(jù)需要設定程序監(jiān)測并控制監(jiān)測參數(shù)的采集。主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理與控制模塊。

數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)實現(xiàn)整個大系統(tǒng)全壽命期橋梁的所有動態(tài)、靜態(tài)有效數(shù)據(jù)的處理及管理工作，完成資料、信息、數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲、管理和調(diào)用等工作。

監(jiān)測與評估軟件子系統(tǒng)主要提供橋梁結(jié)構監(jiān)測及巡檢管理的人機界面，是用戶與健康監(jiān)測系統(tǒng)的交互平臺，實現(xiàn)將各種資料、信息、數(shù)據(jù)實時按授權要求向不同用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

電子化人工巡檢子系統(tǒng)由巡檢養(yǎng)護手冊和電子化巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)組成，包括各種層次和頻度的巡檢(日常巡檢、主要檢查、重點檢查、全面檢查)；自動化制定巡檢計劃，并按照規(guī)范提供電子化巡檢內(nèi)容表格、評分標準；提供便捷的巡檢信息數(shù)據(jù)庫錄入手段和接口。

綜合預警與安全評估子系統(tǒng)主要通過對現(xiàn)場關鍵部位的應變、變形、溫度、索力等信號進行統(tǒng)計、分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)構狀態(tài)與損傷識別，并綜合識別的結(jié)果以及巡檢結(jié)果對橋梁結(jié)構的安全使用狀況進行預警評估。

3　監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測手段

系統(tǒng)分為環(huán)境荷載、幾何變形、結(jié)構內(nèi)力、動力響應4個監(jiān)測內(nèi)容[1]，兩座橋梁具體監(jiān)測項目及監(jiān)測設備如表1所示。

表1　兩座橋梁監(jiān)測項目及監(jiān)測設備

兩座橋梁監(jiān)測項目總體上相同，個別監(jiān)測項目存在差異，例如分別使用了兩種傳感器監(jiān)測支座變位情況，磁致伸縮位移傳感器是利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生的應變脈沖信號，通過時間換算被監(jiān)測結(jié)構的準確位置，測量范圍50～7 600 mm，非接觸式測量，費用較高；拉繩式位移計利用拉繩移動時精密旋轉(zhuǎn)感應器輸出與拉繩移動距離成比例的電信號換算被監(jiān)測結(jié)構的準確位置，測量范圍100～1 000 mm，接觸式測量，費用高。拉繩式位移計結(jié)構小巧，安裝空間尺寸小，靈敏度高，但為接觸式測量利用拉繩的滾動來測試位移，長期使用易于磨損，且在使用過程中容易進灰塵導致拉繩被卡死，耐久性較差，難以滿足長期監(jiān)測要求。

另外，值得注意的是，由于B橋特殊的板桁結(jié)合的結(jié)構形式，主跨橋面板無伸縮縫，無需監(jiān)測伸縮縫處支座的變位情況，在橋梁管養(yǎng)過程中，可以節(jié)省監(jiān)測費用及伸縮縫、支座的維修費用。

A橋磁致伸縮位移傳感器、風速風向儀、溫濕度傳感器、壓力變送器、GPS測量系統(tǒng)、力平衡加速度傳感器已正常運行6年，穩(wěn)定性良好；電感線圈壓電薄膜傳感器在使用中易受車輛振動的影響使預埋線圈破壞、傳感器失效，安裝過程中要注意做好保護措施，例如線槽切割倒角和填充緩沖泡沫等。B橋傳感器安裝使用時間較短，有待日后補充。

4　數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理分析

兩座橋梁傳感器采樣頻率及各監(jiān)測項數(shù)據(jù)處理功能[1-3]如表2所示。不同的橋梁根據(jù)實際情況的不同，傳感器的采樣頻率有所差異，但各監(jiān)測項數(shù)據(jù)處理功能和分析內(nèi)容相同。

5　結(jié)束語

對比分析兩座橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設情況，總結(jié)大跨度鋼桁梁懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)5大子系統(tǒng)及每個子系統(tǒng)的功能；監(jiān)測項目及常用監(jiān)測設備為機械式風速儀、三向超聲波風速儀(風荷載)、電感線圈壓電薄膜傳感器(動態(tài)交通荷載)、GPS測量系統(tǒng)(空間變位)、力平衡加速度傾斜儀(橋塔偏位)、壓力變送器(主梁線形)、光纖光柵應變傳感器(應變)、附著式索力傳感器(索力)、力平衡加速度傳感器(結(jié)構動力特性、地震動)；分析磁致伸縮位移傳感器和拉繩式位移計的優(yōu)缺點以及傳感器采樣頻率和各監(jiān)測項數(shù)據(jù)處理功能。綜上所述，以期為后續(xù)同類型懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計、后期維護升級及管養(yǎng)人員培訓工作提供參考。

表2　傳感器采樣頻率及各監(jiān)測項數(shù)據(jù)處理功能

[1]紀為祥,郭翠翠,李星新,等.貴州壩陵河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].世界橋梁, 2012, 40 (3): 15-19.

[2]王祺明,孫智,周哲峰,等.上海長江大橋結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計思路[J].世界橋梁, 2009(S1): 34-37.

[3]王戒躁,鐘繼衛(wèi),王波,等.大跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計構成及其進展[J].橋梁建設, 2009(S2): 7-12.

韓駿(1990～)，男，碩士，主要從事高速公路養(yǎng)護與管理工作；韓璐(1989～)男，碩士，主要從事高速公路養(yǎng)護與管理工作。

U446.3

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[定稿日期]2016-03-02