翁方文，朱浩，鄭建新

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

大跨度斜拉橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

翁方文，朱浩，鄭建新

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

依托沌口長江公路大橋主橋，在總結分析以往橋梁健康監(jiān)測技術的基礎上，將橋梁施工監(jiān)控及運營期健康監(jiān)測在硬件（傳感器類型及布置）、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)方面進行融合，形成沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了施工監(jiān)控及運營監(jiān)測，從頂層進行設計，大大節(jié)約了成本；運營的基準狀態(tài)不再以設計成橋為基礎，直接以施工最終狀態(tài)為起始條件，能夠顯著地提高系統(tǒng)安全評估的精度。沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計對類似工程具有一定的指導意義。

大跨度斜拉橋；全壽命；安全監(jiān)測

大跨度橋梁設計使用年限為100 a，投資規(guī)模宏大，橋梁建成后隨著投入運營時間的推移，大橋各構件將面臨受到各種損傷及內(nèi)力狀態(tài)的改變，相應橋梁的剛度和承載能力就會出現(xiàn)不同程度的衰減，這些變化如果能夠被預先獲知并且進行適當?shù)恼{(diào)整、維護、維修就不會危及橋梁結構的運營安全，否則將可能導致災難性事故。

建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)目的是避免災難性事故的發(fā)生，實時掌控使用狀態(tài)，輔助管養(yǎng)維護[1-2]。

1 橋梁健康監(jiān)測發(fā)展概述

橋梁健康監(jiān)測技術的發(fā)展主要分為3個階段，20世紀80—90年代末期主要是即傳感技術（智能材料+智能傳感器）和探索性工程應用；90年代—21世紀初為高性能傳感器應用結合的傳輸技術及示范性工程應用；目前階段的主流趨勢為高性能智能化傳感測試系統(tǒng)與電子化人工巡檢相結合。

國內(nèi)外橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)均是運營期的健康監(jiān)測，施工監(jiān)控和健康監(jiān)測由不同單位分別建立獨立系統(tǒng)完成，橋梁狀態(tài)信息缺乏延續(xù)性且不經(jīng)濟。

2 工程概述

沌口長江公路大橋及接線工程，連接武漢市四環(huán)線西、南段，是四環(huán)線的重要組成部分和跨越長江的關鍵性控制工程之一，沌口長江公路大橋主橋寬46 m（含風嘴），為五跨一聯(lián)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋?？鐝讲贾脼椋?00+275+760+275+ 100）m，全長1 510 m，為半漂浮體系斜拉橋，主塔采用A形索塔，主梁為PK斷面鋼箱梁，采用1 860 MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共240根斜拉索。橋形布置及標準斷面如圖1所示。

3 全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)設計理念

3.1 系統(tǒng)設計特點

針對橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)處理方面的共性，提出了“橋梁全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)”理念，其中心任務是確保結構在整個生命期的安全。

將施工監(jiān)控和健康監(jiān)測在硬件、軟件、傳輸方式及數(shù)據(jù)處理方面進行了融合，實現(xiàn)無縫對接；運營的基準狀態(tài)不再以設計成橋為基礎，直接以施工最終狀態(tài)為起始條件；安全信息通過傳感器監(jiān)測信息及人工巡檢、施工監(jiān)控綜合獲得，預測危險狀態(tài)主動養(yǎng)護。

3.2 硬件的融合

施工監(jiān)控系統(tǒng)一般包括結構設計參數(shù)監(jiān)控、幾何形態(tài)監(jiān)控、應力監(jiān)控、索力監(jiān)控、溫度監(jiān)控等幾個方面，其涉及的硬件設備包括全站儀、水準儀、應變傳感器、索力傳感器、溫度傳感器等。健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括環(huán)境監(jiān)測、整體性態(tài)監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、索力監(jiān)測、振動監(jiān)測等，其涉及的硬件設備包括 GPS、撓度傳感器、應力應變傳感器、索力傳感器、加速度傳感器、風速儀等。因此，進行橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)的硬件融合，可將二者監(jiān)控（測）內(nèi)容、測試手段相同的項目進行合理融合，使監(jiān)控系統(tǒng)的硬件可以監(jiān)測系統(tǒng)所用。以沌口大橋為依托，在施工監(jiān)控與健康監(jiān)測2個階段，可進行硬件融合的設備有應變傳感器、溫度傳感器、索力傳感器等。

3.3 軟件的融合

橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)與健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)包括采集軟件與系統(tǒng)軟件2部分。在采集軟件方面，對于實現(xiàn)硬件融合的監(jiān)控（測）項目，其相應的采集軟件可以滿足施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的需求，可以實現(xiàn)相關采集軟件的融合。在系統(tǒng)軟件方面，由于施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的目標不同，系統(tǒng)軟件在功能需求上存在差異。在進行 2個系統(tǒng)設計時，對二者的系統(tǒng)軟件進行綜合設計，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的融合。

3.4 傳輸方式及數(shù)據(jù)的融合

目前，傳輸方式總的來說分為有線傳輸和無線傳輸2種。由于有線傳輸方式受施工、運營條件轉換的限制，實現(xiàn)二者的融合具有相當?shù)碾y度。隨著無線傳感器及無線傳輸技術的發(fā)展，采用無線傳輸方案實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，是實現(xiàn)橋梁施工監(jiān)控與運營監(jiān)測系統(tǒng)傳輸方式融合的有效解決手段。

由于受現(xiàn)場條件、環(huán)境因素、施工誤差等不可預知的因素，結構的內(nèi)力和變形在施工過程中是一個累積的過程，成橋后的結構狀態(tài)不可能與設計完全一致，采用設計的成橋結構狀態(tài)作為橋梁結構健康監(jiān)測狀態(tài)評估的初始狀態(tài)是不合理的。橋梁施工監(jiān)控貫穿于橋梁的整個建設過程，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息量，在剔除個別異常數(shù)據(jù)后能很好地反應橋梁結構的真實狀況。施工監(jiān)控與健康監(jiān)測融合見圖2。

4 沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)

針對沌口大橋主橋跨度大，橋面寬，剪力滯效應明顯，重車多，橋面易破壞，鋼箱梁頂板易出現(xiàn)疲勞問題等特點，結合全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)理念進行了系統(tǒng)的設計。

4.1 系統(tǒng)的總體結構

系統(tǒng)是由自動化傳感測試子系統(tǒng)（包括傳感器模塊、自動化數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊）、數(shù)據(jù)庫存儲與管理子系統(tǒng)、電子化人工巡檢子系統(tǒng)、結構預警與結構安全評估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)5大子系統(tǒng)構成，見圖3。

4.2 自動化傳感測試子系統(tǒng)

通過結構有限元計算分析，把握結構監(jiān)測重點，確定監(jiān)測的內(nèi)容和精度要求，為測點布置和優(yōu)化提供依據(jù)，同時針對施工監(jiān)控和健康監(jiān)測進行頂層設計。主要從環(huán)境與荷載、位移、應力與索力、動力特性與振動響應四個方面進行監(jiān)測，主要包括風力/風向、環(huán)境溫度、塔頂變位、撓度、關鍵控制截面的應變、關鍵點的振動監(jiān)測（橋梁固有特性、橋塔撞擊監(jiān)控、振動響應監(jiān)控）、索結構的監(jiān)測、交通流監(jiān)測等。結構疲勞應力測點見圖4。

撓度布置在邊跨各跨跨中、次邊跨四分點處、次邊跨跨中、主跨十六分點和索塔處各布設1個撓度測點；為監(jiān)測主梁的扭轉效應，在主跨及邊跨跨中上、下游側布設1個測點，全橋共30個測點，見表1。

數(shù)據(jù)采集與傳輸方面，采用分布式測控技術，每個傳感器均與智能調(diào)理器相連接，將傳感器模擬信號或數(shù)字信號轉換為符合國際標準協(xié)議的以太網(wǎng)信號。橋塔下橫梁處設置橋位采集站，全橋共設置21個采集分站。系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖見圖5。

4.3 狀態(tài)的評估設計

安全評估以“前期重點關注結構易損件，中后期重點關注結構整體性能兼顧結構易損件”為總體原則，建立了一套以監(jiān)測數(shù)據(jù)及結構力學模型分析為基礎，變權綜合層次分析法為核心的較成熟的評估方法和思路。主要針對結構的損傷識別、異常狀態(tài)識別、性能發(fā)展趨勢預測和整體結構安全性進行分析。主要分析方法包括：模型對比法、統(tǒng)計分析評估法、基于結構振動的評估方法、疲勞分析評估、綜合層次分析法。損傷評估基于自動化監(jiān)測和電子化人工巡檢，總體評估技術方案見圖6所示?；诒O(jiān)測系統(tǒng)的損傷識別是在基準狀態(tài)的基礎上采用模型對比法進行的，基于模型對比法可進行結構易損件的損傷識別及結構整體狀態(tài)的損傷識別[3-9]。

5 結語

1）沌口大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)將施工監(jiān)控、運營健康監(jiān)測在軟件、硬件、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M行融合，進而進行了頂層設計。從而節(jié)約了資源，更加系統(tǒng)化。

2）該系統(tǒng)將整個健康監(jiān)測的時域從原來的運營期擴充到了橋梁的全壽命期，而橋梁的施工期間安全信息被證明對運營安全有巨大的影響，以成橋最終狀態(tài)作為基準狀態(tài)，能夠獲得橋梁結構的真實狀態(tài)。因此，這種作法能夠顯著地提高系統(tǒng)安全評估的精度。

[1] 周文松.大跨度斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2005. ZHOU Wen-song.The research and application of large span cable-stayed bridge health monitoring system[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2005.

[2] 陸燁佳.斜拉橋結構運營期狀態(tài)評級與安全評定方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012. LU Ye-jia.State rating and safety assessment for cable-stayed bridges in service[D].Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012.

[3]李惠，歐進萍.斜拉橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)（I）：系統(tǒng)設計[J].土木工程學報，2006，39（4）：39-44. LI Hui,OU Jin-ping.Design and implementation of health monitoring systems for cable-stayed bridges(I):design methods[J]. China Civil Engineering Journal,2006,39(4):39-44.

[4]郭彤，李愛群，李兆霞，等.大跨橋梁結構狀態(tài)評估方法研究進展[J].東南大學學報：自然科學版，2004，34（5）：699-704. GUO Tong,LI Ai-qun,LI Zhao-xia,et al.Progress in condition assessment methods for long span bridges[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2004,34(5):699-704.

[5]袁萬城，崔飛，張啟偉.橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟大學學報：自然科學版，1999，27（2）：184-188. YUAN Wan-cheng,CUI Fei,ZHANG Qi-wei.Current research and development of structural health monitoring and condition assessment for bridges[J].Journal of Tongji University:Natural Science Edition,1999,27(2)：184-188.

[6] 陳國剛.二七長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].中外公路，2014，34（1）：170-173. CHEN Guo-gang.The research of Erqi Yangtze River Bridge health monitoring system[J].Journal of China&Foreign Highway, 2014,34(1)：170-173.

[7]龍立敦，符鋅砂.大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[J].鐵道標準設計，2012（11）：58-62. LONG Li-dun,FU Xin-sha.Research and design on long span concrete cable-stayed bridge construction-operation integrated monitoring system[J].Railway Standard Design,2012(11):58-62.

[8]張通.大跨剛構-連續(xù)梁橋的全壽命性能監(jiān)測與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008. ZHANG Tong.Life-cycle performance monitoring and analysis of long span rigid frame-continuous beam bridges[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2008.

[9]許宏亮，唐亮.西堠門大橋及金塘大橋結構運營監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)總體設計[J].公路，2008（9）：354-357. XU Hong-liang,TANG Liang.The structure operation monitoring and comprehensive management system overall design of Xihoumen Bridge and Jintang Bridge[J].Highway,2008(9):354-357.

Whole life safety monitoring system design of long-span cable-stayed bridge

WENG Fang-wen,ZHU Hao,ZHENG Jian-xin
（CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology, Ministry of Communications,Wuhan,Hubei 430040,China）

Relying on the main bridge of Zhuankou Changjiang River Highway Bridge and on the basis of analyzing the previous bridge health monitoring technology,we fused the construction monitoring and the health monitoring in hardware (sensor types and layout),software,transmission mode and data to make the whole life safety monitoring system of the bridge. This system combines the monitoring of construction and operation,from the top to carry on the design,greatly save the cost. This reference state of the operation is no longer based on the design of the bridge,directly to the final state of construction condition,can significantly improve the precision of the system safety assessment.The whole life safety monitoring system has certain guiding significance to the similar projects.

long-span cable-stayed bridge;whole life;safety monitoring

U445.57

A

2095-7874（2017）03-0048-05

10.7640/zggwjs201703010

2016-10-09

2016-12-01

中國交建科技研發(fā)項目（2012-ZJKJ-16）

翁方文（1985— ），男，湖北武漢市人，碩士研究生，工程師，主要從事橋梁施工監(jiān)控及健康監(jiān)測工作。E-mail：wengfangwen@163.com