柳州欧维姆结构检测技术有限公司，广西 柳州 545005

0 引言

公路桥梁在长期环境侵蚀、材料徐变、荷载效应等因素的作用下，不可避免地导致结构的各种损伤及抗力减弱，影响结构的正常使用，直接影响桥梁运营安全［1］［2］，如何保证桥梁运营安全成为了现阶段我国关注的一个焦点。

为实现桥梁运营安全性能的有效监控，组建一套完整实时监测和智能化管理的桥梁结构健康监测系统很有必要［3］。然而，根据钢桁架斜拉桥结构特殊性，目前国内针对有关此类桥型结构健康监测系统研究较少［4］。因此，本文以宝鸡市陆港大桥为背景，对其主桥结构建模受力分析，确定测点的布设位置，完成系统总体架构、布点及各监测子系统设计研究工作［5］。通过完成陆港大桥结构健康监测系统的设计研究与实施，为同类型桥梁结构健康监测系统的设计及应用提供参考。

1 工程概况

宝鸡陆港大桥位于阳平火车站以西2.0km，该工程北起陈仓科技路，跨连霍高速、渭河，南接西宝南线。大桥主桥为钢桁架双塔双索面斜拉桥，长412m，跨径组合为102m+208m+102m。

2 结构健康监测系统设计

2.1 桥梁建模计算分析

利用空间有限元分析程序MIDAS/CIVIL2015 进行计算。拉索采用桁架单元模拟，其它均采用梁单元模拟，各构件之间采用刚性连接连接。对于内力计算，各截面加劲肋，仅考虑其自重，不考虑其参与受力。陆港大桥主桥计算空间模型如下图1。

图1 主桥计算空间模型

对于结构的计算以监控参数为目标，主要以结构的刚度、位移、应力进行分析，得到监控的主桥关键截面和杆件，以达到最有效的监控测点的布置要求。

（1）通过全桥的梁单元应力比较分析，在基本组合荷载工况下，钢桁架塔柱与梁交接处及1/2 位置处腹杆存在较大压应力，宜设置应力测点。对于梁体而言，主跨跨中、边跨跨中及与塔柱交接处为监测关键区域；

（2）通过结构位移比较分析，主跨及边跨跨中为位移量最大，宜设置位移测点；

（3）通过拉索索力比较分析，得到边跨及主跨跨中索力最大，监控索力以索力较大的索为主。

2.2 监测系统总体设计

该系统设计采用集群健康监测系统架构，各传感器数据采集子系统通过无线方式集成至数据采集站内监控计算机进行数据汇总监测，同时通过有线网络远传至数据监控中心供远端用户在线掌控大桥健康状况。监测系统框架如下图2。

图2 大桥结构健康监测系统组建框架

结合陆港大桥斜拉桥的结构特点和结构计算的结果，并参照相关规范的规定，确定陆港大桥结构健康监测系统主要包括结构变形监测、结构应力监测、结构动态监测、桥面动态交通监测，共计4 类监测内容，详细监测内容如下：

（1）结构变形监测：塔柱空间变形及倾斜、主梁挠度、支座及伸缩缝位移。

（2）结构应力监测：主塔及主梁关键截面应力及变化、拉索索力及变化。

（3）结构动态监测：主塔、主梁振动。

（4）桥面动态交通监测：桥面视频监测。

2.3 监测系统子系统设计

2.3.1 监测传感器子系统

传感器子系统是由对环境参数、应力应变、结构动力特性等参数进行监测的传感器组成的模块。结合陆港大桥建模计算分析结果及传感器经济适用的布置原则，该桥结构健康监测系统共布设磁通量传感器、GPS、振弦应变计等八类传感器，共计布置128 个传感器，传感器布置信息见下表1。

2.3.2 监测数据采集与传输子系统

数据采集系统主要从系统总体构架、软件、硬件、数据采集策略等几方面进行设计工作。全桥共设2 个数据采集主站，每个数据采集主站实现对各传感器数据的采集，数据通过有线或无线两种方式与远端监控中心交互通信，组建为在线实时桥梁健康监测系统。

2.3.3 监测数据处理与控制子系统

数据处理与控制子系统主要从监测数据的校验、分析、存储、管理等几方面进行设计工作，该子系统在整个系统中起到重要过渡作用。

2.3.4 监测数据分析与结构安全预警及评估子系统

监测数据分析子系统包括：应力应变、变形、动态监测、视频监控、拉索索力等分析系统。

结构安全预警子系统包含：桥梁结构强度安全评定分析、桥梁整体极限承载力分析、桥梁可靠度分析，根据分级预警机制实现多级预警。

结构安全状况评估系统是整个系统的中心部位，评估系统应密切结合大桥的管养要求，做到“预测性维护、评估式维护”，并出具评估报告。

表1 传感器布置信息一览表

2.3.5 中心数据库子系统

由于整个系统数据量庞大，数据信息种类多及多系统共享，支持分布式处理和访问的同时还要支持多并发用户的操作，且数据安全性尤为重要。中心数据库子系统统一管理和组织数据信息，方便系统后期智能化管养，同时提供可靠的分布式数据交换与存储平台给各应用子系统，方便开发与使用。

2.3.6 用户界面子系统

用户界面子系统是整个监测系统最终面向用户的产品，是各子系统的集成界面，主要结合各子系统的功能，提供统一的操作界面和采用易懂的图表形式展示各种分析数据信息给用户，实现分布式、远程访问的方式与功能。

3 工程实施

此次桥梁结构健康监测设计已应用于宝鸡陆港大桥的建设，至今已完成该桥结构健康监测系统组建工作，初步形成一套实时监测和智能化管理的桥梁结构健康监测系统，施工步骤如下：

施工前各项准备工作→传感器安装→线缆线管安装固定→系统信号线及电源线缆敷设安装与防护→数据采集站安装固定→传感器子系统分项目连接测试→数据通信接口安装→子系统总体连接调试→监控中心设备与通信安装→软件系统集成及总体调试→试运行→项目竣工验收。

4 结语

（1）通过对陆港大桥主桥结构进行有限元建模受力分析，确定最有效的监测传感器测点布置，利于下一步开展主桥结构健康监测系统的各类设计研究。

（2）该套桥梁结构监测系统设计合理，利用现代传感测试、信号分析、远程智能控制、计算机、结构计算分析等当代新设备和新技术，组建了一套技术先进、措施合理、实用经济、易于管理、开放兼容、符合桥梁运营环境和结构特殊性的桥梁结构健康监测系统。

（3）该套桥梁结构健康监测系统为陆港大桥运营期提供科学有序的养护运营管理平台，减少大桥非重点结构人工检测次数，在意外发生阶段和事后分析评估大桥结构安全性，协助及改善大桥检测方法，为大桥的维护决策提供依据，具有良好的社会及经济效益。