章玉伟，颜永逸

(1.四川省轨道交通投资有限责任公司，四川成都，610023；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都，610031)

桥梁结构经过长期运营，由于自然侵蚀、材料老化以及荷载的反复作用、疲劳与冲击效应等因素的综合作用，不可避免地会产生损伤和抗力衰减，严重时还可能造成结构破坏从而引发安全事故[1]。为把握大型桥梁结构在运营过程中的承载能力、安全状态和剩余寿命，避免发生突发事故，许多国内外重大型桥梁都建立了结合自身特点的健康监测系统[2-6]。随着现代化传感、通信、控制技术的不断发展，结构健康监测技术也得到了更进一步的提升和更广阔的应用[7-9]。

上承式拱桥由于其自身的跨越能力强、刚度大、适应力强，在西南山区的铁路系统中大量应用。本文背景工程为某主跨340 m的上承式铁路拱桥，主拱采用钢桁劲性骨架外包钢筋混凝土结构，大桥全长687.8 m。引桥及拱上孔跨布置为：2-65 m T构+(3-29.60+28.80)m预应力混凝土连续梁+(28.8+2×29.6+28.8)m预应力混凝土连续梁+(28.8+3-29.60)m预应力混凝土连续梁+(44+72+44)m预应力混凝土连续梁。由于大桥为采用劲性骨架施工法的大跨度钢筋混凝土拱桥，此种施工方法工序繁杂，结构体系需要发生多次转换。此外，同一断面结构的刚度和强度是逐步形成的，也使得大桥后期的收缩徐变变形变得非常复杂，因此，本文以该大桥为背景，探讨了上承式拱桥结构的健康监测设计关键技术，可供同类工程的监测系统设计参考。

1 结构受力计算

在进行结构健康监测系统设计前，对结构的静动力分析是十分必要的。通过对结构的变形、应力以及自振特性等进行分析，可以确定和优化后续监测内容和测点布置方案。因此，本桥通过有限元模拟分析得到的部分计算结果如下。

1.1 部分静力计算结果

由表1可知，成桥时，主力+附加力工况下钢管应力最大值为325 MPa，管内混凝土最大应力为24.4 MPa，拱圈混凝土最大压应力15.0 MPa，出现在拱脚底板附近，最小压应力为2.7 MPa，出现在拱脚顶板附近。

由表2可知，在ZK竖向静活载作用下，主跨跨中最大竖向位移为29.1 mm，1/4跨附近最大竖向位移为36.8 mm；在0.63倍ZK活载+温度组合作用下1/2主拱圈挠度为90.9 mm，1/4主拱圈挠度为80.3 mm。

表1 成桥时拱圈结构应力计算结果 MPa

表2 列车活载与温度荷载组合作用下主梁竖向挠度值 mm

1.2 部分动力计算结果

成桥状态自振特性见表3。

表3 成桥状态自振特性结果

2 健康监测系统方案设计

2.1 设计原则

为使大桥健康监测系统成为一个功能强大，满足桥梁养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康监控系统，遵循如下设计原则：

(1)遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想。

(2)根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。

(3)监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的构件、必须进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。

(4)从动力、静力对结构进行监测，力求用最少的传感器和数据量完成工作。

(5)以结构位移监测为主，以应力、模态分析为辅助。

(6)系统应具有可扩展性。

2.2 监测内容与方案

根据监测系统设计原则，结合该桥的技术难点以及结构计算分析结果，该大桥健康监测内容主要有四个方面：

2.2.1 环境参数监测

环境监测应包括风荷载、空气温度与相对湿度监测等内容。风荷载是桥梁的重要荷载源，尤其是对结构横向振动的影响不容忽略。温湿度荷载也是桥梁和轨道结构的主要荷载源，环境温度作用可使结构产生较大的变形，影响结构应力变化，同时湿度也是影响混凝土徐变和强度的重要因素，改变构件的结构耐久性。

2.2.2 桥面平顺性监测

桥面平顺性监测分为两个方面：

(1)竖向变形监测。高速铁路轨道平顺性要求高，需要对桥面的竖向变形进行监测，以实时监测由于拱圈徐变变形及温度变化所引起的拱上梁竖向变形值。

(2)梁端转角和拱上立柱倾斜监测。拱圈在温度变化及长期徐变情况下，会产生较大的上抬或下挠变形，变形传递至拱上立柱，使得立柱发生水平和竖向位移，当水平位移较大时，会对拱上梁和支座产生较大影响。同时，为防止梁端转角过大造成扣件系统失效，需对拱上梁梁端转角进行监测。

2.2.3 拱圈结构受力监测

外包混凝土采用分环分段的方法浇筑，由于浇筑时间的不同，使得各环(面)混凝土的龄期差异大，同一截面的应力水平随着分环浇筑时间的不同而不同，使得收缩徐变对拱的内力分布有影响，而拱圈的受力是整个结构的关键，因此需要对拱圈的受力特性进行监测。

2.2.4 结构动力特性监测

任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼等结构特性参数组成的动力学系统。当结构出现损伤时，结构的动力特征(频率、阻尼等)也会随之将发生改变。因此，动力特性改变可认为是结构状态发生变化的标志。此外，结构振动水平的大小还直接影响高速行车的舒适性。

整个监测系统的初步测点布置如图1所示。测点的布置说明见表4。

图1 监测系统传感器布置示意(单位：cm)

表4 监测系统传感器布置

3 系统框架设计

大桥健康监测系统由五大部分组成(图2)。

图2 监测系统架构

3.1 传感器子系统

传感器子系统作为整个监测系统的最前端，是获得结构信息的关键。主要包括光纤光栅应变传感器、倾角传感器、静力水准仪、加速度传感器、风速风向传感器和温湿度传感器。这些传感器是感知、采集、转换和处理各种信息的必要器件，提供结构监测所需的最基本、最直观的信息，关系到整个系统的质量和效果。

3.2 数据采集子系统

该子系统由布置在桥梁箱梁内和桥面上的调理设备、采集设备、采集计算机和传感器电缆网络等组成。其主要功能为：

(1)依据采集频率要求，控制传感器对结构信息采集。

(2)根据信号需要信号的转换和调理。

(3)对采集的数据进行本地的存储和预处理。

(4)将采集的数据发送至监控中心。

结合本桥的特点和传感器的布设方式，对于应变传感器采用光纤光栅解调仪通过光纤进行采集控制，其他传感器均采用自主开发的无线组网采集仪进行采集，通过有线与无线的结合，有效的保证了数据采集的可靠性和灵活性，并且节省了线缆布设，减少了布设线缆过程的不必要的麻烦。

3.3 数据传输子系统

数据传输系统负责传输各个采集单元的数据至数据处理和控制系统，主要由通信网络和通信协议组成。

3.4 数据处理与控制子系统

数据处理与控制系统包括对数据进行预处理、后处理、数据存储、数据传输及数据显示等数据管理和控制工作，此处还部署有结构的安全评估与分析系统。

数据的预处理主要进行数据的统计分析，计算设定时段内极值、均值、方差和变化幅值等相关统计量，用以初步判断数据是否异常，作为基本预警信息的输入，初步判断结构是否有变化。

数据的后处理主要是对数据的时频域分析、相关性分析、趋势分析等，以便对结构的状态进行把握，并预测其发展趋势，这是作为性能评估的重要依据，该过程大多为离线处理，计算资源消耗较大，耗时相对较长。

结构的安全评估与分析系统是整个健康监测系统的核心，主要以分析结构的状态和发现损伤为目标。整个系统分为在线评估和离线评估两部分，在线评估主要依据采集的实时数据，通过统计和趋势分析，设定合理的监测预警值，在结构发生异常时，给出有效的警报。通过对各个监测指标的分析，利用层次分析法建立评价体系，结合相关规范和结构自身特点设置指标权重，全面综合的得到桥梁的健康状态。离线评估是对所有监测数据的高阶分析，通过基于模型和基于数据的方法，综合分析和确定结构的安全状态。整个系统将产生季度评估报告、年度评估报告和突发事件评估报告，以对结构的安全性、耐久性进行定性或定量的评估。

3.5 辅助支持系统。

由桥梁外场及监控中心辅助上述系统正常运行的设备组成，包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电源监控等子系统。

4 结束语

本文以某上承式铁路拱桥为例，根据大桥的特点，结合养护与管理的需求，设计了符合该桥自身特点的健康监测系统。该系统监测内容合理，架构科学，针对性强，通过实时获取桥梁结构在运营过程中的响应，分析和评估结构的安全状态，能够帮助运营部门分析和控制大桥的安全风险，提高管养的水平和效率，可供国内同类型的工程参考。