廣明高速公路順德水道特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

方精思

（佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東佛山 528000）

1 項目概述

廣明高速公路是廣州（番禺）至佛山（高明）高速公路的簡稱，位于廣佛都市圈中部、路線總體呈東西走向。順德水道特大橋跨越順德水道，全長2 006.974 m，主跨上部結(jié)構(gòu)采用（115+200+115）m三跨連續(xù)剛構(gòu)，箱梁采用C55混凝土，單幅橋?qū)?6.5 m，采用單箱單室直腹板斷面，主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，懸臂現(xiàn)澆施工。

2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測項目

本項目存在大量的過境運營大型貨車，為了隨時檢測橋梁的健康狀況、及時掌握橋梁的安全情況，針對本特大橋建立長期的健康檢測系統(tǒng)。合理選擇系統(tǒng)監(jiān)測項目是有效對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和安全性進(jìn)行監(jiān)測的前提，監(jiān)測項目的確定應(yīng)盡可能反映橋梁結(jié)構(gòu)目前的工作狀態(tài)。本橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目主要根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)性能分析確定，兼顧橋址處環(huán)境狀況和項目經(jīng)費限制等因素。

（1）環(huán)境激勵。

溫濕度監(jiān)測、交通荷載觀測。

（2）橋梁構(gòu)件響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測、結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測。

（3）橋梁整體響應(yīng)。

變形監(jiān)測、振動監(jiān)測。

2.2 系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)總體架構(gòu)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)預(yù)警與評估系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和人工檢查模塊等部分組成。

監(jiān)測項目和測點數(shù)量如表1所示。

表1 監(jiān)測項目和測點數(shù)量

（2）系統(tǒng)軟件架構(gòu)。

本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用C/S與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。架構(gòu)內(nèi)應(yīng)包含計算機與服務(wù)器操作系統(tǒng)類軟件、系統(tǒng)監(jiān)測與控制類軟件、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計分析類軟件、健康評估類軟件、數(shù)據(jù)庫管理類軟件。

（3）系統(tǒng)硬件架構(gòu)。

健康監(jiān)測系統(tǒng)采用DCS分層分布式硬件系統(tǒng)架構(gòu)，由下至上將監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)備分為底層傳感器與采集設(shè)備、中層通信傳輸設(shè)備與電源設(shè)備、上層遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器與工作站。

主橋右幅橋傳感器及工作站總體布置如圖2所示。

圖2 主橋右幅橋傳感器及工作站總體布置

主橋左幅橋傳感器及工作站總體布置如圖3所示。

圖3 主橋左幅橋傳感器及工作站總體布置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)力監(jiān)測

通過對橋梁關(guān)鍵受力截面的應(yīng)力監(jiān)測，能夠直接了解各測點的真實應(yīng)力狀態(tài)，為總體評估大橋的承載能力、運營狀態(tài)和耐久能力提供依據(jù)。通過控制點應(yīng)力狀態(tài)的變化判斷大橋結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷。以左幅橋LY5下側(cè)的應(yīng)力測點2017年上半年的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

測點布置如圖4所示。

圖4 主橋測點布置（單位：mm）

（1）單日數(shù)據(jù)分析。

左幅橋主跨跨中截面LY5下側(cè)應(yīng)力測點在2017年2月6日24 h內(nèi)連續(xù)采集的應(yīng)力平均值。經(jīng)測試可知，單日實測應(yīng)力值變化幅度基本處于合理范圍，在24 h內(nèi)的變化規(guī)律與理論分析結(jié)果吻合，如圖5所示。

圖5 左幅橋主跨跨中截面LY5下側(cè)實測應(yīng)力變化

（2）單月數(shù)據(jù)分析。

單月數(shù)據(jù)分析主要對每月大量的應(yīng)力實測值進(jìn)行統(tǒng)計，分別獲得平均值、最大值、最小值以及最大日變幅等統(tǒng)計參數(shù)，反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體和長期變化趨勢。分析單月數(shù)據(jù)總體情況，各監(jiān)測截面應(yīng)力長期變化規(guī)律較合理。

左幅橋主跨跨中截面斷面實測應(yīng)力如表2所示。

表2 左幅橋主跨跨中截面LY5下側(cè)斷面實測應(yīng)力

（3）左右幅橋?qū)Ρ确治觥?/p>

左、右幅橋主跨跨中截面下側(cè)斷面LY5、RY5下側(cè)對應(yīng)測點的應(yīng)力實測值如圖6所示。

圖6 左右幅橋主跨跨中截面應(yīng)力測值對比

由測試可知，在較長時期的數(shù)據(jù)對比中，左、右幅橋應(yīng)力變化規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的相似性，表明兩幅橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也較為一致。

（4）應(yīng)力與溫度關(guān)聯(lián)性分析。

左幅橋主跨跨中截面下側(cè)的應(yīng)力實測值與溫度實測值在2017年1月27日，于24 h內(nèi)測試后，通過其連續(xù)變化情況可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力在較長時間上的變化與環(huán)境溫度變化具有明顯相關(guān)性。

左幅橋主跨跨中截面應(yīng)力與溫度實測值如圖7所示。

圖7 左幅橋主跨跨中截面LY5應(yīng)力與溫度實測值對比

3.2 溫度監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)處于大氣環(huán)繞的空間內(nèi)，會受到各種環(huán)境，諸如陽光輻射、周圍環(huán)境氣溫變化等多種因素的影響，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)各個部分的溫度發(fā)生變化，在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了非均勻的溫度場。

測點布置如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)溫度測點布置圖（單位：mm）

（1）單日數(shù)據(jù)分析。

以左幅橋主跨跨中截面-LY5為例，通過檢測該截面26號傳感器實測溫度值2017年1月18日24 h內(nèi)的變化情況，最高氣溫為15.8 ℃，最低氣溫為13.6 ℃。

（2）單月數(shù)據(jù)分析。

本監(jiān)測周期內(nèi)溫度月變化采集統(tǒng)計顯示，每個溫度監(jiān)測位置的月平均溫度值大體保持同一水平，沒有發(fā)現(xiàn)異常；每個溫度監(jiān)測位置的月最大日溫差值一般在5～8 ℃。

（3）環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)溫度對比分析。

對比分析結(jié)構(gòu)溫度以及大氣溫度變化后可知，混凝土日溫差相比環(huán)境日溫差較小，符合自然規(guī)律，說明溫度監(jiān)測傳感器工作性能良好，能夠正確反映客觀事實。

3.3 變形監(jiān)測

橋梁在長期運營期間的變形監(jiān)測是一項重要的內(nèi)容，通過對橋梁的變形、沉降進(jìn)行觀測，可以直觀掌握橋梁變形的形態(tài)，及時消除安全隱患。

選取主橋主跨1/4、主跨跨中及邊跨跨布置撓度測點，每個斷面有2個測點，在雙肢墩位置箱梁位置布設(shè)基準(zhǔn)點，每幅橋有2個基準(zhǔn)點，單幅橋共10個測點，全橋共20個測點。

主橋撓度測點布置如圖9所示。

圖9 主橋撓度測點布置（以左幅橋為例）

（1）單日數(shù)據(jù)分析。

檢測左幅橋主跨跨中截面的相對于基準(zhǔn)點高差（近似等同撓度）的2017年3月15日單日變化情況，可知單日實測撓度值變化幅度基本處于合理范圍。

左幅橋主跨跨中截面單日撓度變化如圖10所示。

圖10 左幅橋主跨跨中截面單日撓度變化

（2）單月數(shù)據(jù)分析。

單月數(shù)據(jù)分析主要對每月大量的變形實測值進(jìn)行統(tǒng)計，分別獲得每個撓度監(jiān)測位置相對于基準(zhǔn)點高差（撓度）的平均值、最大值、最小值和最大日變幅等統(tǒng)計參數(shù)，反映結(jié)構(gòu)撓度總體和長期的變化趨勢。分析單月數(shù)據(jù)總體情況可知，各監(jiān)測截面撓度長期變化規(guī)律較為合理。

左幅橋主跨跨中截面月度撓度統(tǒng)計如表3所示。

表3 左幅橋主跨跨中截面月度撓度統(tǒng)計

（3）左右幅橋?qū)Ρ确治觥?/p>

檢測左、右幅橋主跨跨中截面相對于基準(zhǔn)點相對高差（撓度）變化情況可知，一天內(nèi)數(shù)據(jù)對比中，左、右幅橋撓度變化規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的相似性，表明兩幅橋的整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)也較為一致。

主跨跨中截面撓度對比如圖11所示。

圖11 左、右幅橋主跨跨中截面撓度對比

（4）構(gòu)件撓度與溫度關(guān)聯(lián)性分析。

分析左、右幅橋主跨跨中截面相對于基準(zhǔn)點高差（撓度）變化實測值與溫度實測值2017年1月27日24 h內(nèi)的連續(xù)變化情況可知，結(jié)構(gòu)撓度在較長時間的變化與環(huán)境溫度變化具有明顯的相關(guān)性，如圖12所示。

圖12 左幅橋主跨跨中截面撓度及溫度關(guān)聯(lián)性分析

3.4 振動監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性指橋梁結(jié)構(gòu)固有振動頻率、振型及各階振動的阻尼比。

自振特性是結(jié)構(gòu)特性的一種反映，取決于結(jié)構(gòu)本身的材料特性及結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量以及分布規(guī)律。在右幅主橋的主跨跨中截面、1/4跨截面、3/4跨截面和邊跨跨中截面布置測點，全橋共12個測點。

結(jié)構(gòu)動力特性測點布置如圖13所示。

圖13 右幅橋結(jié)構(gòu)動力特性測點布置（單位：mm）

頻譜分析的目的是將監(jiān)測的時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，分析獲得結(jié)構(gòu)振動的固有頻率等自振特性參數(shù)。

通過頻率分析結(jié)果可得橋梁振動監(jiān)測的實測頻率與理論頻率對比，如表4所示。

表4 實測頻率與理論頻率對比 單位：Hz

4 監(jiān)測結(jié)論

4.1 總體結(jié)論

本監(jiān)測周期內(nèi)，順德水道特大橋主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的監(jiān)測結(jié)果未見明顯異常，變化規(guī)律基本合理，從現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷大橋結(jié)構(gòu)整體上處于正常工作狀態(tài)。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

（1）應(yīng)力監(jiān)測結(jié)論。

①單日、單月實測應(yīng)力值變化幅度基本處于合理范圍，變化規(guī)律與理論分析結(jié)果基本吻合。

②各監(jiān)測截面應(yīng)力最大值和最小值總體上處于正常范圍，長期變化規(guī)律較為合理。

③左、右幅橋應(yīng)力變化規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的相似性，表明兩幅橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也較為一致。

④結(jié)構(gòu)應(yīng)力在較長時間上的變化與環(huán)境溫度變化具有明顯的相關(guān)性。

（2）溫度監(jiān)測結(jié)論。

①單日、單月實測溫度值變化幅度基本處于合理范圍，變化規(guī)律與實際相符。

②混凝土日溫差相比環(huán)境日溫差較小，符合自然規(guī)律。

（3）變形監(jiān)測結(jié)論。

①單日、單月實測撓度值變化幅度基本處于合理范圍，變化規(guī)律與理論分析結(jié)果基本吻合。

②各監(jiān)測截面撓度最大值和最小值基本處于正常范圍，長期變化規(guī)律較為合理。

③左、右幅橋撓度變化規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的相似性，表明兩幅橋的整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)也較為一致。

④結(jié)構(gòu)撓度在較長時間上的變化與環(huán)境溫度變化具有明顯的相關(guān)性。

（4）振動監(jiān)測結(jié)論。

橋梁結(jié)構(gòu)實測前幾階固有頻率與理論計算值比較吻合，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度及邊界條件與設(shè)計狀態(tài)相符。

5 結(jié)語

綜上所述，本橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，使用的設(shè)備、元件性能可靠，系統(tǒng)長時間運行正常。通過合理布設(shè)測點，系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取橋梁不同斷面測點位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、環(huán)境溫度及結(jié)構(gòu)變形等數(shù)據(jù)。工程人員可根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行診斷，對橋梁的可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行評估，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。本監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法達(dá)到了橋梁健康監(jiān)測目標(biāo)。