纜索支撐橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

胡先磊

（云南路建集團(tuán)欣業(yè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，云南 昆明 650200）

引言

橋梁健康監(jiān)測(cè)和管理的重要性已引起工程人員的關(guān)注，合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命并減少維修檢修費(fèi)用。大跨徑橋梁，特別是纜索支撐橋梁，其檢查、維護(hù)修復(fù)費(fèi)用高昂，并且經(jīng)常會(huì)帶來復(fù)雜的技術(shù)問題。測(cè)量和分析動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，臨時(shí)或常規(guī)檢查、維護(hù)和康復(fù)計(jì)劃，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患[1]。測(cè)量和分析結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于提高大跨度橋梁在環(huán)境荷載和外加荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能具有重要意義[2-3]。

1 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接的基于電腦端的數(shù)據(jù)采集單元（DAU）。光纖網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)可以使用令牌環(huán)系統(tǒng)。一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元通?？刂?4～128個(gè)高速數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量通常取決于高速數(shù)據(jù)通道的數(shù)量，而數(shù)據(jù)采集單元的位置則取決于低電阻、低靈敏度和非線性輸出特性傳感器的位置。傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和光纖網(wǎng)絡(luò)之間的連接見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布局

1.2 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、歸檔備份、顯示和操作進(jìn)行全面控制?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有定制的MATLAB、GPS軟件和MATLAB的數(shù)據(jù)分析套件。除了MATLAB數(shù)據(jù)分析套件，LABVIEW軟件將用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的硬件基于PXI實(shí)時(shí)控制器，該控制器與LABVIEW軟件最為兼容，可用于數(shù)據(jù)采集和相關(guān)工作。所有數(shù)據(jù)處理和分析工具都必須具備推導(dǎo)或計(jì)算振幅域、時(shí)域、頻域和頻率計(jì)數(shù)所需函數(shù)的能力。

1.3 便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的可攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個(gè)基于電腦端的數(shù)據(jù)記錄器、二十四個(gè)便攜式雙軸伺服型加速度計(jì)、五個(gè)便攜式單軸伺服型加速度計(jì)和十六個(gè)電纜盤（每個(gè)卷筒長(zhǎng)度為100 m）的五類UTP電纜，并配有一個(gè)定制的LABVIEW軟件系統(tǒng)，用于采集、處理、存檔、存儲(chǔ)和顯示。它用于測(cè)量纜索的張力，并輔助固定伺服式加速度計(jì)識(shí)別橋梁的整體動(dòng)態(tài)特性。收集的數(shù)據(jù)將直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析。

1.4 便攜式檢查和維護(hù)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的便攜式檢查和維護(hù)系統(tǒng)包括3臺(tái)便攜式筆記本電腦，用于對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)工作。便攜式檢查和維護(hù)系統(tǒng)的另一個(gè)功能是通過存儲(chǔ)和更新所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息（包括所有圖紙和所有操作和維護(hù)手冊(cè)）來促進(jìn)系統(tǒng)檢查和維護(hù)。

2 健康監(jiān)測(cè)類別與程序

2.1 風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)

風(fēng)荷載在大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要地位。橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的風(fēng)荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)包括臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)和大風(fēng)（即平均速度大于5 m/s的任何風(fēng)）的監(jiān)測(cè)，分為五個(gè)步驟：（1）記錄/存檔來自甲板水平的超聲波式風(fēng)速計(jì)3個(gè)正交方向的風(fēng)速時(shí)程數(shù)據(jù)，以及螺旋槳式風(fēng)速計(jì)的塔頂水平面風(fēng)速和風(fēng)向的時(shí)程數(shù)據(jù)。（2）繪制平均風(fēng)和陣風(fēng)的風(fēng)玫瑰圖，并繪制梯度和陣風(fēng)風(fēng)速剖面圖。（3）計(jì)算風(fēng)紊流強(qiáng)度、時(shí)間和長(zhǎng)度標(biāo)度、頻譜、共譜和相干度。（4）繪制橋梁構(gòu)件（裝有加速計(jì)、位移傳感器）對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)。（5）繪制安裝有應(yīng)變計(jì)的抗風(fēng)支撐構(gòu)件的應(yīng)力需求比圖。在獲得足夠的風(fēng)數(shù)據(jù)結(jié)果后，進(jìn)行極值分析，以預(yù)測(cè)各自正常使用極限狀態(tài)和極限狀態(tài)下的極端風(fēng)況。

2.2 溫度荷載監(jiān)測(cè)

橋梁的熱響應(yīng)受環(huán)境溫度、風(fēng)速波動(dòng)、材料性能、表面特性和截面形狀的影響。該系統(tǒng)的溫度或熱負(fù)荷效應(yīng)監(jiān)測(cè)分為四個(gè)步驟：（1）測(cè)量空氣、瀝青路面、不銹鋼的溫度，繪制溫度隨時(shí)間的變化曲線。（2）從橋面板、塔架和電纜的代表性或關(guān)鍵截面的測(cè)量點(diǎn)推導(dǎo)或計(jì)算有效橋梁溫度和溫差，并繪制推導(dǎo)或計(jì)算結(jié)果與時(shí)間的關(guān)系。（3）估算/計(jì)算由實(shí)測(cè)溫度梯度引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。（4）根據(jù)溫度繪制甲板的熱運(yùn)動(dòng)圖，如垂直運(yùn)動(dòng)的主跨中間和縱向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)縫處的溫度。測(cè)量結(jié)果將用于與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。此類監(jiān)測(cè)的傳感器為溫度傳感器、位移傳感器和應(yīng)變計(jì)，溫度負(fù)荷監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3 道路荷載監(jiān)測(cè)

對(duì)于大跨度橋梁，交通堵塞是確定公路荷載強(qiáng)度的主要設(shè)計(jì)參照，而公路荷載強(qiáng)度取決于車輛荷載強(qiáng)度。交通負(fù)荷強(qiáng)度基于每天形成的交通堵塞數(shù)量，交通堵塞的位置、持續(xù)時(shí)間和車輛分布模式以及交通堵塞中交通流所采用的假設(shè)[4-5]。

WAWMS中的公路荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)包括兩個(gè)步驟：（1）通過安裝在車道上的動(dòng)態(tài)稱重傳感器測(cè)量交通流量和交通荷載，用于識(shí)別通過橋梁的不同類型的軸荷載和不同類型的車輛。（2）建立基于應(yīng)變/應(yīng)力結(jié)果的公路荷載譜，用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如橋槽段）的疲勞損傷評(píng)估。此類監(jiān)測(cè)的傳感器類型有動(dòng)態(tài)稱重傳感器、應(yīng)變計(jì)、液位傳感站、GPS和CCTV攝像機(jī)。

2.4 鐵路荷載監(jiān)測(cè)

鐵路荷載是交通荷載設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要參數(shù)。鐵路軌道模型由加勁橋面段拱腹處的縱向工字鋼支撐。因此，鐵路荷載通過縱向工字梁分配到加勁橋面段。由于沒有傳感器來測(cè)量列車對(duì)橋梁施加的動(dòng)荷載，因此采用安裝在縱向工字梁上的應(yīng)變片間接進(jìn)行鐵路荷載監(jiān)測(cè)。對(duì)應(yīng)變和位移結(jié)果進(jìn)行處理，以確定每組轉(zhuǎn)向架載荷的影響線（力和位移）。一條列車線（7輛編組列車，由14組轉(zhuǎn)向架載荷組成）的影響線由14組影響線疊加而成，處理應(yīng)變結(jié)果以評(píng)估鐵路負(fù)荷譜疲勞負(fù)荷。此類監(jiān)測(cè)涉及的傳感器類型有可焊接應(yīng)變計(jì)、GPS和液位傳感站。列車裝載設(shè)計(jì)與測(cè)量監(jiān)控見圖3。

2.5 拉索受力監(jiān)測(cè)

在斜拉橋中，索系是抵抗荷載的關(guān)鍵構(gòu)件，特別是對(duì)于豎向荷載。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，索力監(jiān)測(cè)由加速度計(jì)、水平傳感站和GPS進(jìn)行。通過從環(huán)境振動(dòng)的時(shí)程加速度數(shù)據(jù)中提取頻率，可以確定每根電纜中的當(dāng)前張力。在斜拉橋中，通過對(duì)斜拉索振動(dòng)幅值的監(jiān)測(cè)，可以估算出斜拉索在橋面和索塔上的豎向力和水平力。水準(zhǔn)儀和GPS還可以通過轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)的纜索凈位移來評(píng)估活載作用下的索力。然后將計(jì)算的索力與正常使用和極限狀態(tài)下的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。吊桿索力監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4。

圖4 吊桿索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語

介紹了纜索支撐橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并通過典型圖形圖說明了監(jiān)測(cè)結(jié)果的應(yīng)用，以期為工程實(shí)際提供參考。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行需要注意四個(gè)方面：（1）大跨度橋梁的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，以確定監(jiān)測(cè)參數(shù)的適當(dāng)位置、類型和范圍，并解釋測(cè)量和分析結(jié)果；（2）用于測(cè)量和處理信號(hào)或數(shù)據(jù)的儀器技術(shù)；（3）用于數(shù)據(jù)輸入/輸出、分析和解釋的圖形CAD和數(shù)值分析技術(shù)；（4）用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和可視化的信息技術(shù)。