任剛 張兵 劉增祥 武俊寶 趙亮

（1.晉城晉建國道改線工程有限公司，山西 晉城 048000；2.山西建投晉東南投資有限公司，山西 晉城 048000）

大跨徑斜拉橋具有跨越能力大、造型美觀、結(jié)構(gòu)輕盈等特點，是各級道路跨越河流山谷的常用橋型。此類橋梁一般為路線控制性工程，如果發(fā)生事故或中斷交通，往往造成局域路網(wǎng)中斷或癱瘓，對經(jīng)濟、交通、社會將產(chǎn)生較大不利影響。因此如何及時獲知結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)、保證運營安全、提前預(yù)警并采取應(yīng)對措施等，是橋梁監(jiān)管部門的工作重點。通過建立橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，獲知結(jié)構(gòu)荷載作用響應(yīng)，并分析判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是目前較為常用的方法[1～2]。隨著傳感、通信、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展與革新，橋梁監(jiān)測也越來越受重視并得到廣泛應(yīng)用。主塔是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，其造型除滿足受力要求外，往往還需體現(xiàn)景觀美學(xué)和人文環(huán)境的特點。異形橋塔造型獨特，往往成為區(qū)域的景觀或標(biāo)志，造型獨特往往代表結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜[3～5]。本文以一種“水滴型”異形塔斜拉橋為例，以應(yīng)變子系統(tǒng)為主，簡要闡述結(jié)構(gòu)受力特點、監(jiān)測系統(tǒng)建立及監(jiān)測結(jié)果，為今后同類型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)實施提供參考與借鑒。

一、橋梁概況

丹河特大橋位于國道342線山西省晉城市過境段，橋梁全長1738m，全橋共10聯(lián)。其中跨越丹河處主橋采用（130+130）m跨徑鋼混組合梁獨塔斜拉橋。主梁斷面采用鋼邊主梁結(jié)合混凝土橋面板的整體斷面。索塔采用“水滴”造型，全高94.5m。拉索采用高強平行鋼絲成品索。斜拉橋采用塔墩固結(jié)、塔梁分離的結(jié)構(gòu)體系。橋梁總寬28.4m，雙向四車道通行。橋梁設(shè)計荷載為公路I級。橋梁立面布置示意如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置示意

二、結(jié)構(gòu)受力特點

采用邁達斯有限元軟件建立丹河特大橋主橋的計算模型，采用梁單元在設(shè)計荷載下主要分析結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)軟件分析結(jié)果可知：主梁受力最不利截面在距伸縮縫約31.5m位置；主塔受力不利截面在橋面、塔底附近；塔梁連接處主塔為弧形段，偏心受力現(xiàn)象明顯。上述截面應(yīng)為重點監(jiān)測截面。

圖2 橋梁主梁、主塔在荷載組合下彎矩包絡(luò)圖

三、監(jiān)測系統(tǒng)建立

（一）傳感器選型

數(shù)據(jù)采集所用傳感器的精度、耐久性、可集成性是實現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。該項目采用光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變。該類型傳感器具有抗電磁干擾、耐久性好、傳輸距離遠等優(yōu)點。為便于結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析，全橋測點同步采集，采樣頻率為5Hz。

（二）測點布置

測點設(shè)置合理與否決定著監(jiān)測系統(tǒng)能否準(zhǔn)確感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，同時也決定著監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。根據(jù)計算分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點，主梁在關(guān)鍵斷面橋面板及鋼縱梁均設(shè)置應(yīng)變測點，典型斷面測點布置示意如圖3所示，主梁應(yīng)變監(jiān)測斷面距主塔67.5m、98.5m，主塔兩側(cè)對稱布置。主塔塔柱斷面應(yīng)變測點布置示意如圖4所示，主塔應(yīng)變監(jiān)測斷面距承臺28m、47m。

圖3 主梁典型斷面應(yīng)變測點布置示意

圖4 主塔典型斷面應(yīng)變測點布置示意

（三）監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)是一個具有高度集成的實時采集系統(tǒng)。結(jié)合部分技術(shù)成熟的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，開發(fā)專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于構(gòu)建橋梁監(jiān)測平臺。

1.監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

主要包括前端傳感器、采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)展示平臺軟件。

2.數(shù)據(jù)傳輸方式

該項目采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)基本傳輸路徑為：前端傳感器采集-采集模塊-數(shù)據(jù)傳輸-中心服務(wù)器-顯示終端。

四、監(jiān)測結(jié)果

為分析判斷監(jiān)測系統(tǒng)能否準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化、評價監(jiān)測系統(tǒng)有效性，截取日常監(jiān)測中（2021年9月24日06：35～06：36），單車過橋時部分測點同一時間段內(nèi)應(yīng)變時程曲線，如圖5所示。主梁應(yīng)變測點取大小樁號側(cè)跨中左側(cè)梁底測點；主塔應(yīng)變測點取南塔北側(cè)面大小樁號側(cè)測點，主梁或主塔應(yīng)變測點對稱選取。

圖5 主塔、主梁部分測點相同時段內(nèi)應(yīng)變時程曲線

由此可知：車輛在加載跨時，該跨跨中測點拉應(yīng)變增大，非加載跨對稱測點出現(xiàn)壓應(yīng)變，待車輛行駛至另一跨時，測點的拉壓狀態(tài)互換；所選主塔測點隨車輛位置移動，呈現(xiàn)的變化規(guī)律同主梁測點變化規(guī)律；主梁主塔的測點結(jié)果表明該橋應(yīng)變測點設(shè)置合理，能夠感知荷載變化引起橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，且所獲取的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化規(guī)律符合實際，傳感器的敏感性能滿足監(jiān)測需要。

圖6 大樁號側(cè)跨中主梁左側(cè)梁底應(yīng)變測點影響線

如圖6所示主梁大樁號側(cè)跨中左側(cè)梁底應(yīng)變測點影響線的計算分析結(jié)果，對比圖5中主梁大樁號側(cè)跨中左側(cè)梁底應(yīng)變測點在車輛過橋時的實測應(yīng)變曲線，兩條曲線形態(tài)形似、規(guī)律相同。單車荷載下，結(jié)構(gòu)狀態(tài)實際和理論的變化規(guī)律一致。以該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)分析判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)期目標(biāo)。

五、評估預(yù)警

日常監(jiān)測將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何有效利用這些數(shù)據(jù)及時評估大橋承載能力、營運狀態(tài)是監(jiān)測系統(tǒng)使用效率的評價指標(biāo)。為實現(xiàn)監(jiān)測及時性，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)在線初步統(tǒng)計、繪制趨勢圖等，并與預(yù)警值比較，實現(xiàn)預(yù)警提示。同時為提高監(jiān)測評估準(zhǔn)確性，除在線評估外，對涉及安全的在線預(yù)警提示還應(yīng)結(jié)合專家評估系統(tǒng)離線評估。最終形成各種評估報告，為橋梁養(yǎng)護管理者提供指導(dǎo)意見，做到預(yù)測式、評估式橋梁維護管理。

六、結(jié)語

橋梁監(jiān)測是及時獲知橋梁狀態(tài)的重要手段，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)結(jié)合橋梁特點、經(jīng)濟代價及使用需求開展。測點的合理布置既能準(zhǔn)確敏感地感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，也能實現(xiàn)效益最大化，是有效建立橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。此外數(shù)據(jù)采集的精確程度、硬件系統(tǒng)的耐久性能也是能否實現(xiàn)長期穩(wěn)定監(jiān)測目標(biāo)的關(guān)鍵因素。通過實測數(shù)據(jù)分析，丹河特大橋主橋應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足大橋遠程、自動化的監(jiān)測要求。監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性，有待通過長期觀察與運行判斷，但仍可為同類型監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供參考。