大跨度斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建立及安全評估分析

林俊成

摘 要：本文以某斜拉橋為例，詳細(xì)闡述了健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容及測點布置，為準(zhǔn)確評估分析結(jié)構(gòu)實時運營狀態(tài)，通過對實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分級評估，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)運營過程中的狀態(tài)實時預(yù)警。通過對當(dāng)日環(huán)境數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)靜力數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)動力分析可知，當(dāng)日橋梁環(huán)境監(jiān)測正常，運營狀態(tài)良好。為后續(xù)斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及結(jié)構(gòu)安全評估分析提供了經(jīng)驗和參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;健康監(jiān)測;測點布設(shè);系統(tǒng)設(shè)計;安全評估

中圖分類號：U446;U448.27 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

在橋梁正常運營期間，橋梁結(jié)構(gòu)由于車輛荷載的作用以及環(huán)境因素的影響，使得結(jié)構(gòu)不可避免的出現(xiàn)不同程度的損傷[1-2]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中通過采集得到的海量數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)進行評估，而結(jié)構(gòu)的評估體系建立的合理性對結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)的把握具有決定性影響，因此本文通過某主跨為316 m的大跨斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，闡述了該健康系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容及評估系統(tǒng)的評估體系。

1 工程概況

某斜拉橋主橋為（135+316+135）m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，三跨布置，邊、中跨之比為0.427，主橋全長586 m。該橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)，主肋高度2.8 m，寬2 m。主塔采用花瓶型，斜拉索采用扇形空間雙索面布置，每塔每索面共22對斜拉索，共176根。根據(jù)有限元計算，結(jié)構(gòu)傳感器測點布置如圖1所示。

2 健康監(jiān)測安全評估系統(tǒng)建立

2.1 結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)構(gòu)安全評估是橋梁運用期間監(jiān)測系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分之一，自動化監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)需通過安全評估來判定結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)安全使用狀態(tài)進行預(yù)警。安全評估系統(tǒng)的可靠性決定了健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)運營期間的使用狀態(tài)進行評估的準(zhǔn)確性，對管理者制訂管養(yǎng)決策具有至關(guān)重要的作用。

2.2 安全評估體系

橋梁狀態(tài)安全性評估分為五級，分別為很好、良好、正常、較差、危險狀態(tài)等。當(dāng)功能性評估橋梁狀態(tài)為較差或危險時，進行承載能力評估。

應(yīng)根據(jù)狀態(tài)評估模塊結(jié)果進行安全一級評估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)異常時，應(yīng)啟動安全二級評估;當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)異常時，應(yīng)啟動專項檢查，若發(fā)現(xiàn)橋梁損傷，應(yīng)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和專項檢查結(jié)果進行安全二級評估。橋梁因遭遇強風(fēng)、地震、船撞、雪災(zāi)、洪水、特殊車輛過橋等突發(fā)事件而進行專項評估時，應(yīng)對事件發(fā)生前后的數(shù)據(jù)進行對比分析。

2.3 安全預(yù)警體系

為避免個別數(shù)據(jù)的采集異常而影響系統(tǒng)預(yù)警的靈敏性和及時性，采用分級報警的方式實現(xiàn)安全報警，報警分三級：黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)異?；蚪Y(jié)構(gòu)響應(yīng)超限時，自動啟動初級預(yù)警程序，具體表現(xiàn)為：發(fā)出報警信息，同時在橋梁圖形上對應(yīng)的位置以黃色、橙色或紅色閃爍的方式顯示，并生成預(yù)警記錄，異常排除后，圖形顯示正常，同時生成異常排除記錄。

3 實測數(shù)據(jù)評估分析

以某斜拉橋一天內(nèi)的實測數(shù)據(jù)為研究對象，分析各傳感器實測數(shù)據(jù)，分析當(dāng)日結(jié)構(gòu)各項結(jié)構(gòu)參數(shù)是否滿足安全評估要求。

3.1 主梁撓度

主梁線形監(jiān)測測點布置于主梁中跨、邊跨、輔助跨等監(jiān)測截面以及塔內(nèi)基準(zhǔn)點，全橋共18個測點，采樣頻率為1 Hz。

由圖2，主梁全天線形曲線平滑，最高線形與最低線形跨中處偏差最大，達到0.031 m，一方面是由于車載在跨中處變形最大，另一方面整體升降溫跨中變形最為顯著。

橋梁撓度由兩部分組成：溫度效應(yīng)撓度及荷載效應(yīng)撓度。由于溫度效應(yīng)是長周期，取跨中測點進行分析，將實測曲線分解為恒載+溫度效應(yīng)和活載效應(yīng)部分。

由圖3中可以看中，恒載+溫度項線形與溫度趨勢相反，溫度上升，線形下降。在尋求線形與溫度的相關(guān)關(guān)系后，可以將線形換算為20℃的基準(zhǔn)狀態(tài)，分析與基準(zhǔn)線形的偏差，衡量橋梁狀態(tài)的改變量。線形活載項每一個峰值代表了車載的一次激勵。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變

結(jié)構(gòu)應(yīng)變（應(yīng)力）是結(jié)構(gòu)整體和局部受力安全狀態(tài)的直接反應(yīng)，是監(jiān)測的重要方面。綜合考慮結(jié)構(gòu)整體和局部受力特點、既有結(jié)構(gòu)損傷部部位等因素，確定結(jié)構(gòu)在活載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著、安全系數(shù)較低的代表性監(jiān)測點，用光纖光柵應(yīng)變傳感器對主梁和索塔各關(guān)鍵部位動、靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變進行監(jiān)測，共布置63個測點，采樣頻率為20 Hz，監(jiān)測結(jié)果如下。

由圖4，測點應(yīng)變具有明顯的規(guī)律性，與溫度相關(guān)性強。對實測應(yīng)變值進行溫度補償并去除結(jié)構(gòu)溫度影響，得到活載應(yīng)變曲線。主梁活載效應(yīng)曲線如圖5所示。

分析圖5當(dāng)日全天主梁拉壓應(yīng)力均在活載效應(yīng)包絡(luò)圖以內(nèi)，未超過閾值。

3.3 斜拉索索力

結(jié)合大橋索力測試采用單向加速度傳感器結(jié)合頻譜法。全橋斜拉索索力振動測點共64個，采樣頻率為20 Hz，每小時分析一次索力。

選取2019年6月10日索力實測數(shù)據(jù)，繪制索力包絡(luò)變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，索力與基準(zhǔn)索力偏差較小，基本在10%范圍以內(nèi)，表明索狀態(tài)正常，未出現(xiàn)明顯損傷。

4 結(jié)論

根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點及所處環(huán)境因素，從環(huán)境參數(shù)與荷載輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)兩方面布設(shè)了相應(yīng)測點，并將BIM和監(jiān)測管養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)對大橋全壽命周期的信息共享。建立了結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)實時傳輸數(shù)據(jù)進行評估分析，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的實時預(yù)警?；趯崪y數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進行了整體評估，通過當(dāng)日實時實測數(shù)據(jù)分析，結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)良好，未達到預(yù)警閾值。

參考文獻：

[1]葉仲韜，王永亮.大跨度鋼箱梁斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析[J].世界橋梁，2016（3）：43-47.

[2]王超，鐘繼衛(wèi)，朱宏平.面向管養(yǎng)的軍山大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].土木工程與管理學(xué)報，2013（3）：6-11.