贵州高速公路在役悬索桥健康监测系统对比分析

2016-09-14韩骏，韩璐

四川建筑 2016年4期

关键词：拉绳悬索桥桁架

韩　骏，韩　璐

(贵州高速公路集团有限公司，贵州贵阳 550014)

贵州高速公路在役悬索桥健康监测系统对比分析

韩骏，韩璐

(贵州高速公路集团有限公司，贵州贵阳 550014)

在目前健康监测传感器和监测方法快速发展的情况下，如何从经济性、适用性、稳定性等方面进行监测系统的优化设计和传感器的合理选取是尤为重要的课题。通过对比两座在役桥梁健康监测系统总结钢桁梁悬索桥监测系统的构成、监测项目及常用监测设备，分析某些监测设备的优缺点和适用情况，以期为后续同类型特大桥健康监测系统设计、后期维护升级及管养人员培训工作提供参考。

钢桁梁悬索桥；健康监测系统；系统设计；传感器选型

贵州地处中国西南内陆，山地、丘陵多，沟谷跨度大，贵州高速公路多年来建成了很多建造难度高、技术含量高的特大桥梁，这些桥梁结构形式的独特性及重要地位对桥梁的安全性、耐久性、可维护性提出了较高的要求。

运营期安全监测及养护管理系统是一套配合大桥存在的永久性监测系统，该系统综合多种智能化监测技术手段，对大桥的运营环境和结构关键力学状态响应参数进行全天候自动化监测。系统可自动完成数据采集、存储、分析处理、状态评估与预警报警工作，并利用大数据和互联网+模式实现电子化人工巡检，指导大桥管养单位及时采取有效措施管控交通，并对突发事件和结构异常进行处理，最大限度减少损失和不良影响；及时掌控桥梁的运营状态，达到防患于未然的目的；提高检查、养护、维修等功效，避免桥梁损伤的扩大化；合理分配使用桥梁养护维修资金，节省大修产生的巨额投资；延长大桥的服务年限，保证生命线工程的正常运营及交通大动脉的安全畅通。

贵州高速公路在役桥梁健康监测项目启动较晚，计划近几年内陆续在多座特大桥梁上增设该系统，在目前健康监测传感器和监测方法快速发展的情况下，如何借鉴实际应用经验从经济性、适用性、稳定性等方面进行新系统的优化设计和传感器的合理选取显得尤为重要。

本文通过对比分析两座桥梁健康监测系统，总结大跨度钢桁梁悬索桥健康监测系统构成、监测项目及常用监测设备，分析某些监测设备的优缺点和适用情况，以期为后续同类型特大桥健康监测系统设计、后期维护升级及管养人员培训工作提供参考。

1　工程概况

A桥和B桥均为单跨简支钢桁梁悬索桥，主梁包括钢桁架和正交异性钢桥面板两部分；主桁架采用整体节点板连接，为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成；在钢桁梁主桁架端部下弦杆底面对应端竖腹杆的位置各设置一个竖向支座，全桥共计4个。

A桥主跨1 088 m，悬索跨径组成为(248+1 088+228) m，主缆矢跨比为1/10.3，主缆横桥向间距为28.0 m，吊索顺桥向间距为10.8 m，东锚碇为重力锚，西锚碇为隧道锚。钢桁架由主桁架、主横桁架和上、下平联组成，主桁架的桁高为10.0 m，标准节间长为10.8 m，两片主桁架左右弦杆中心间距与主缆间距相同，为28.0 m。正交异性钢桥面板由桥面板、U型加劲肋、纵向板肋、横隔梁和倒T形纵梁组成，倒T形纵梁与主横桁架上横梁的上翼缘板之间设置拉压式盆式橡胶支座。正交异性钢桥面板在横桥向分为左右两幅，每幅桥面板在端部10个节段作为一联，中部每20个节段作为一联，全桥共设置6联，每两联之间设有伸缩缝。A桥健康监测系统于2009年完成设计，2011年进入试运行阶段，2015年10月完成系统的维护升级工作。

B桥主跨1 130 m，悬索跨径组成为(258+1130+345) m，主缆矢跨比1/10，主缆横桥向间距为27.0 m，吊索顺桥向间距为15.2 m。主桁架的桁高7.0 m，标准节间长7.6 m。两片主桁架弦杆中心间距27.0 m。正交异性钢桥面板由桥面板、U型加劲肋、三道纵梁和两道次横梁组成，桥面板与主横桁架上横梁顶面平齐，板桁结合。B桥健康监测系统于2015年底完成设计安装工作，目前正处于试运行阶段。

2　系统构成

桥梁结构的健康监测系统服务于桥梁的安全运营状态监控和养护管理，其设计和构建是一套集先进传感技术、计算机技术、信息技术以及结构力学分析计算、结构状态评估理论于一体的综合系统工程。结合本身结构特点，以及大桥预警、评估和管养决策方面的要求，对比A桥和B桥健康监测系统，总结钢桁梁悬索桥由以下5个子系统构成[1-2]：

自动化数据采集与监测子系统主要完成传感器数据的采集、信号调理以及数据传输工作，对监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序监测并控制监测参数的采集。主要包括传感器模块、数据采集与传输模块和数据处理与控制模块。

数据处理与管理子系统实现整个大系统全寿命期桥梁的所有动态、静态有效数据的处理及管理工作，完成资料、信息、数据的归档、查询、存储、管理和调用等工作。

监测与评估软件子系统主要提供桥梁结构监测及巡检管理的人机界面，是用户与健康监测系统的交互平台，实现将各种资料、信息、数据实时按授权要求向不同用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。

电子化人工巡检子系统由巡检养护手册和电子化巡检养护系统组成，包括各种层次和频度的巡检(日常巡检、主要检查、重点检查、全面检查)；自动化制定巡检计划，并按照规范提供电子化巡检内容表格、评分标准；提供便捷的巡检信息数据库录入手段和接口。

综合预警与安全评估子系统主要通过对现场关键部位的应变、变形、温度、索力等信号进行统计、分析，根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果以及巡检结果对桥梁结构的安全使用状况进行预警评估。

3　监测内容与监测手段

系统分为环境荷载、几何变形、结构内力、动力响应4个监测内容[1]，两座桥梁具体监测项目及监测设备如表1所示。

表1　两座桥梁监测项目及监测设备

两座桥梁监测项目总体上相同，个别监测项目存在差异，例如分别使用了两种传感器监测支座变位情况，磁致伸缩位移传感器是利用两个不同磁场相交产生的应变脉冲信号，通过时间换算被监测结构的准确位置，测量范围50～7 600 mm，非接触式测量，费用较高；拉绳式位移计利用拉绳移动时精密旋转感应器输出与拉绳移动距离成比例的电信号换算被监测结构的准确位置，测量范围100～1 000 mm，接触式测量，费用高。拉绳式位移计结构小巧，安装空间尺寸小，灵敏度高，但为接触式测量利用拉绳的滚动来测试位移，长期使用易于磨损，且在使用过程中容易进灰尘导致拉绳被卡死，耐久性较差，难以满足长期监测要求。

另外，值得注意的是，由于B桥特殊的板桁结合的结构形式，主跨桥面板无伸缩缝，无需监测伸缩缝处支座的变位情况，在桥梁管养过程中，可以节省监测费用及伸缩缝、支座的维修费用。

A桥磁致伸缩位移传感器、风速风向仪、温湿度传感器、压力变送器、GPS测量系统、力平衡加速度传感器已正常运行6年，稳定性良好；电感线圈压电薄膜传感器在使用中易受车辆振动的影响使预埋线圈破坏、传感器失效，安装过程中要注意做好保护措施，例如线槽切割倒角和填充缓冲泡沫等。B桥传感器安装使用时间较短，有待日后补充。

4　数据采集及数据处理分析

两座桥梁传感器采样频率及各监测项数据处理功能[1-3]如表2所示。不同的桥梁根据实际情况的不同，传感器的采样频率有所差异，但各监测项数据处理功能和分析内容相同。

5　结束语

对比分析两座桥梁健康监测系统建设情况，总结大跨度钢桁梁悬索桥健康监测系统5大子系统及每个子系统的功能；监测项目及常用监测设备为机械式风速仪、三向超声波风速仪(风荷载)、电感线圈压电薄膜传感器(动态交通荷载)、GPS测量系统(空间变位)、力平衡加速度倾斜仪(桥塔偏位)、压力变送器(主梁线形)、光纤光栅应变传感器(应变)、附着式索力传感器(索力)、力平衡加速度传感器(结构动力特性、地震动)；分析磁致伸缩位移传感器和拉绳式位移计的优缺点以及传感器采样频率和各监测项数据处理功能。综上所述，以期为后续同类型悬索桥健康监测系统设计、后期维护升级及管养人员培训工作提供参考。