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(tuán)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(tuán)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(jì)性、適用性、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gòu)成、監(jiān)測項(xiàng)目及常用監(jiān)測設(shè)備，分析某些監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)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(shè)計(jì)、后期維護(hù)升級及管養(yǎng)人員培訓(xùn)工作提供參考。

鋼桁梁懸索橋；健康監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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(shù)含量高的特大橋梁，這些橋梁結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)特性及重要地位對橋梁的安全性、耐久性、可維護(hù)性提出了較高的要求。

運(yùn)營期安全監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)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(shù)手段，對大橋的運(yùn)營環(huán)境和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)狀態(tài)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行全天候自動(dòng)化監(jiān)測。系統(tǒng)可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、存儲、分析處理、狀態(tài)評估與預(yù)警報(bào)警工作，并利用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+模式實(shí)現(xiàn)電子化人工巡檢，指導(dǎo)大橋管養(yǎng)單位及時(shí)采取有效措施管控交通，并對突發(fā)事件和結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行處理，最大限度減少損失和不良影響；及時(shí)掌控橋梁的運(yùn)營狀態(tài)，達(dá)到防患于未然的目的；提高檢查、養(yǎng)護(hù)、維修等功效，避免橋梁損傷的擴(kuò)大化；合理分配使用橋梁養(yǎng)護(hù)維修資金，節(jié)省大修產(chǎn)生的巨額投資；延長大橋的服務(wù)年限，保證生命線工程的正常運(yùn)營及交通大動(dòng)脈的安全暢通。

貴州高速公路在役橋梁健康監(jiān)測項(xiàng)目啟動(dòng)較晚，計(jì)劃近幾年內(nèi)陸續(xù)在多座特大橋梁上增設(shè)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(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)從經(jīng)濟(jì)性、適用性、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行新系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gòu)成、監(jiān)測項(xiàng)目及常用監(jiān)測設(shè)備，分析某些監(jiān)測設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)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(shè)計(jì)、后期維護(hù)升級及管養(yǎng)人員培訓(xùn)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(diǎn)板連接，為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，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(yīng)端豎腹桿的位置各設(shè)置一個(gè)豎向支座，全橋共計(jì)4個(gè)。

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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(gè)節(jié)段作為一聯(lián)，中部每20個(gè)節(jié)段作為一聯(lián)，全橋共設(shè)置6聯(lián)，每兩聯(lián)之間設(shè)有伸縮縫。A橋健康監(jiān)測系統(tǒng)于2009年完成設(shè)計(jì)，2011年進(jìn)入試運(yùn)行階段，2015年10月完成系統(tǒng)的維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)安裝工作，目前正處于試運(yùn)行階段。

2　系統(tǒng)構(gòu)成

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)于橋梁的安全運(yùn)營狀態(tài)監(jiān)控和養(yǎng)護(hù)管理，其設(shè)計(jì)和構(gòu)建是一套集先進(jìn)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)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(gòu)特點(diǎn)，以及大橋預(yù)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(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成[1-2]：

自動(dòng)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(jìn)行預(yù)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(xué)指標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)大系統(tǒng)全壽命期橋梁的所有動(dòng)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(gòu)監(jiān)測及巡檢管理的人機(jī)界面，是用戶與健康監(jiān)測系統(tǒng)的交互平臺，實(shí)現(xiàn)將各種資料、信息、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按授權(quán)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(hù)手冊和電子化巡檢養(yǎng)護(hù)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(diǎn)檢查、全面檢查)；自動(dòng)化制定巡檢計(jì)劃，并按照規(guī)范提供電子化巡檢內(nèi)容表格、評分標(biāo)準(zhǔn)；提供便捷的巡檢信息數(shù)據(jù)庫錄入手段和接口。

綜合預(yù)警與安全評估子系統(tǒng)主要通過對現(xiàn)場關(guān)鍵部位的應(yīng)變、變形、溫度、索力等信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(gòu)的安全使用狀況進(jìn)行預(yù)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(gòu)內(nèi)力、動(dòng)力響應(yīng)4個(gè)監(jiān)測內(nèi)容[1]，兩座橋梁具體監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測設(shè)備如表1所示。

表1　兩座橋梁監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測設(shè)備

兩座橋梁監(jiān)測項(xiàng)目總體上相同，個(gè)別監(jiān)測項(xiàng)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(gè)不同磁場相交產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖信號，通過時(shí)間換算被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確位置，測量范圍50～7 600 mm，非接觸式測量，費(fèi)用較高；拉繩式位移計(jì)利用拉繩移動(dòng)時(shí)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器輸出與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號換算被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確位置，測量范圍100～1 000 mm，接觸式測量，費(fèi)用高。拉繩式位移計(jì)結(jié)構(gòu)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(dòng)來測試位移，長期使用易于磨損，且在使用過程中容易進(jìn)灰塵導(dǎo)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(gòu)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(fèi)用及伸縮縫、支座的維修費(fèi)用。

A橋磁致伸縮位移傳感器、風(fēng)速風(fēng)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(yùn)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(dòng)的影響使預(yù)埋線圈破壞、傳感器失效，安裝過程中要注意做好保護(hù)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(shí)間較短，有待日后補(bǔ)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(xiàng)數(shù)據(jù)處理功能[1-3]如表2所示。不同的橋梁根據(jù)實(shí)際情況的不同，傳感器的采樣頻率有所差異，但各監(jiān)測項(xiàng)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(shè)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(gè)子系統(tǒng)的功能；監(jiān)測項(xiàng)目及常用監(jiān)測設(shè)備為機(jī)械式風(fēng)速儀、三向超聲波風(fēng)速儀(風(fēng)荷載)、電感線圈壓電薄膜傳感器(動(dòng)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(yīng)變傳感器(應(yīng)變)、附著式索力傳感器(索力)、力平衡加速度傳感器(結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震動(dòng))；分析磁致伸縮位移傳感器和拉繩式位移計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)以及傳感器采樣頻率和各監(jiān)測項(xiàng)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(shè)計(jì)、后期維護(hù)升級及管養(yǎng)人員培訓(xùn)工作提供參考。

表2　傳感器采樣頻率及各監(jiān)測項(xiàng)數(shù)據(jù)處理功能

[1]紀(jì)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(shè)計(jì)[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(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)構(gòu)成及其進(jìn)展[J].橋梁建設(shè), 2009(S2): 7-12.

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

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[定稿日期]2016-03-02