橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沙埕灣跨海大橋上的應(yīng)用

■鐘 華

（1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福州 350108；2.福建省高速公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108）

隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)大發(fā)展， 大量特大、特長(zhǎng)及特殊結(jié)構(gòu)橋梁相繼建成，我國(guó)橋梁建設(shè)水平進(jìn)入世界前列。 然而，我國(guó)橋梁養(yǎng)護(hù)管理仍存在諸多問(wèn)題。 近幾十年來(lái)發(fā)生的大量橋梁災(zāi)難性事故，證明常規(guī)的橋梁養(yǎng)護(hù)管理模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化橋梁管養(yǎng)的實(shí)際需求。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種多學(xué)科交叉融合技術(shù)的信息系統(tǒng)， 能有效地對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行管理，目前已有不少學(xué)者對(duì)其涉及領(lǐng)域進(jìn)行研究[1-5]。 其中聶功武、宗周紅等學(xué)者對(duì)模型修正、損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估等重點(diǎn)課題進(jìn)行了深入研究，他們的研究成果對(duì)于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析具有重要的指導(dǎo)意義[6-12]。 因此，如何科學(xué)地將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到橋梁養(yǎng)護(hù)管理中，進(jìn)一步提高橋梁運(yùn)營(yíng)期的耐久性及安全性，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 工程應(yīng)用實(shí)例

1.1 工程概況

沙埕灣跨海大橋主橋采用（168+535+258）m 單側(cè)混合梁斜拉橋，為半飄浮體系，其中北邊跨為混凝土箱梁，主跨與南邊跨為鋼箱梁。斜拉索共136根，采用空間扇形雙索面布置形式。 主橋?yàn)檎w式斷面，橋面寬度40.5 m（含風(fēng)嘴）。 項(xiàng)目于2021 年1 月正式通車，通車后福建省高速公路通車?yán)锍掏黄? 000 km，成為全國(guó)高速密度排名第3 的省份。 橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 沙埕灣跨海大橋橋型布置圖

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

沙埕灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)信息化系統(tǒng)工程，主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理以及用戶界面交互與安全預(yù)警等部分。 總體架構(gòu)見(jiàn)圖2、圖3，主要功能如下：（1）傳感器子系統(tǒng)：由荷載與環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測(cè)傳感器構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)橋梁環(huán)境參數(shù)、車輛荷載參數(shù)及視頻信息、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)量。 （2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備與纜線、 數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)同步采集與傳輸， 保證數(shù)據(jù)質(zhì)量、不失真。 （3）數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)預(yù)處理、中心數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)查詢與管理等軟硬件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、查詢、存儲(chǔ)與管理等功能。 （4）用戶界面交互與安全預(yù)警：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線顯示、安全預(yù)警等功能（圖4）。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸圖

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示界面

1.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

基于自動(dòng)化結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇原則，并結(jié)合橋址區(qū)運(yùn)營(yíng)環(huán)境特點(diǎn)、 結(jié)構(gòu)受力特性與構(gòu)造特點(diǎn)，沙埕灣跨海大橋監(jiān)測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 沙埕灣跨海大橋監(jiān)測(cè)內(nèi)容

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器及采集站總體布置見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 傳感器測(cè)點(diǎn)總體布置圖

圖6 數(shù)據(jù)采集站總體布置圖

2 安全評(píng)估

結(jié)構(gòu)安全評(píng)估作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終成果體現(xiàn)，是與橋梁養(yǎng)護(hù)管理最直接相關(guān)的部分。沙埕灣特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全評(píng)估包括單項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、荷載校驗(yàn)系數(shù)專項(xiàng)評(píng)估分析、斜拉索索力專項(xiàng)評(píng)估分析及橋梁動(dòng)力特性專項(xiàng)評(píng)估分析等內(nèi)容。

2.1 單項(xiàng)數(shù)據(jù)分析

單項(xiàng)數(shù)據(jù)分析主要包括最大值、最小值、平均值、均方根值、累計(jì)值等統(tǒng)計(jì)值分析。

2.1.1 溫濕度監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析

由表2～3、圖7 可知，實(shí)測(cè)主橋鋼混結(jié)合段截面箱梁內(nèi)溫度正常，未見(jiàn)異常極端天氣；實(shí)測(cè)主橋鋼混結(jié)合段截面箱梁內(nèi)和索塔錨固區(qū)位置處的濕度主要在50%～80%，建議檢查鋼箱梁密閉性及除濕系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖7 部分溫濕度測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

表2 溫度統(tǒng)計(jì)最值

表3 濕度統(tǒng)計(jì)最值

2.1.2 撓度分析

由表4、圖8 可知，活載作用下，全橋上游最大撓度為26.9 mm，發(fā)生在主跨1/4 分點(diǎn)截面上游，未超過(guò)該截面處黃色預(yù)警值[-324.8，85.6]mm。全橋上游最小撓度為-466.6 mm，發(fā)生在主跨跨中截面上游，未超過(guò)該截面處黃色預(yù)警值[-616.8，164.8]mm。 全橋下游最大撓度為60.3 mm，發(fā)生在秦嶼側(cè)邊跨跨中截面下游，未超過(guò)該截面處黃色預(yù)警值[-212.0，161.6]mm。全橋下游最小撓度為-276.6 mm，發(fā)生在主跨跨中截面下游，未超過(guò)該截面處黃色預(yù)警值[-616.8，164.8]mm。分析表明，活載作用下，實(shí)測(cè)主梁撓度包絡(luò)均小于正常使用狀態(tài)下的撓度包絡(luò)理論計(jì)算值。

表4 主梁撓度統(tǒng)計(jì)最值

圖8 部分撓度測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

2.1.3 風(fēng)速分析

由表5、圖9 可知，實(shí)測(cè)大橋主跨跨中橋面、索塔塔未超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速35.2 m/s。

圖9 部分風(fēng)速測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

表5 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)最值

2.1.4 鋪裝層溫度

由表6、圖10 可知，實(shí)測(cè)鋪裝層在夏日高溫天氣下，鋪裝層溫度較高，建議采取主動(dòng)降溫措施。

圖10 部分鋪裝層溫度測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

表6 鋪裝層溫度統(tǒng)計(jì)最值

2.1.5 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

由表7、圖11 可知，振動(dòng)幅度較小，振動(dòng)在正常范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)主梁及索塔未發(fā)生異常振動(dòng)。

圖11 部分振動(dòng)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

表7 結(jié)構(gòu)振動(dòng)10 min 均方根最值統(tǒng)計(jì)

2.2 專項(xiàng)分析

2.2.1 動(dòng)力特性分析

動(dòng)力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等，通過(guò)動(dòng)力特性試驗(yàn)和理論分析來(lái)了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，著重分析橋梁剛度情況、橋梁抗扭、抗風(fēng)情況以及橋梁耗散外部能量輸入的能力強(qiáng)弱，衰減快慢，為橋梁運(yùn)營(yíng)管理及改造提供科學(xué)的依據(jù)。 沙埕灣跨海大橋模態(tài)振型分析見(jiàn)圖12～18。

圖12 沙埕灣跨海大橋模態(tài)頻率峰值拾取

圖13 第一階振型

圖14 有限元模型第一階振型

圖15 第二階振型

圖16 有限元模型第二階振型

圖17 第三階振型

圖18 有限元模型第三階振型

由表8 可知，大橋?qū)崪y(cè)頻率與理論計(jì)算頻率吻合度高，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度和實(shí)際約束條件滿足有關(guān)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)整體性能狀況良好。

表8 自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

2.2.2 斜拉索索力分析

斜拉索索力測(cè)試方法為振動(dòng)頻率法。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行譜分析后，得到斜拉索索自振頻率，然后綜合考慮拉索邊界條件、垂度、阻尼器、抗彎剛度等因素后，對(duì)索力進(jìn)行計(jì)算。 沙埕灣大橋斜拉索索力分析見(jiàn)表9。

表9 斜拉索索力計(jì)算

索力分析表明，沙埕灣大橋在運(yùn)營(yíng)期間，實(shí)測(cè)各個(gè)監(jiān)測(cè)斜拉索索力均小于容許索力，安全系數(shù)在2.87～3.85，滿足設(shè)計(jì)要求，斜拉索在運(yùn)營(yíng)期間處于安全狀態(tài)。

2.2.3 車輛荷載校驗(yàn)系數(shù)分析

結(jié)合結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度及實(shí)際的評(píng)估需要，選取典型時(shí)段內(nèi)車重較大的車輛（選取車重：63.4 t）經(jīng)過(guò)跨中位置時(shí)的結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。 撓度校驗(yàn)系數(shù)ζ 含義如下：

ζ 為校驗(yàn)系數(shù)；Se為實(shí)測(cè)彈性變位；Ss為理論計(jì)算彈性變位。撓度校驗(yàn)系數(shù)小于1（即實(shí)測(cè)跨中撓度小于理論跨中撓度），即認(rèn)為結(jié)構(gòu)剛度性能正常。

（1）車輛作用時(shí)段情況。 在時(shí)段的選擇上遵循以下原則： ①該時(shí)間段內(nèi)有大于49 t 的車輛通過(guò)；②該時(shí)間段內(nèi)溫度、風(fēng)等環(huán)境因素變化較小，不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響；③該時(shí)間段內(nèi)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)及壓力變送器數(shù)據(jù)正常，無(wú)異常情況。

選取2021 年10 月13 日02:54 的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)及壓力變送器數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，該時(shí)段內(nèi)車輛數(shù)據(jù)：車道3、軸數(shù)6、總重量63350 kg，該時(shí)段內(nèi)共有1 輛滿足條件的車輛經(jīng)過(guò)。

（2）校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算。 由于壓力變送器測(cè)得的撓度數(shù)據(jù)包含了溫度、風(fēng)等環(huán)境因素的影響，而本節(jié)分析主要是針對(duì)交通荷載，需要消除環(huán)境因素的影響，故選取相應(yīng)的基準(zhǔn)壓力變送器的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)撓度值。 本時(shí)段內(nèi)，重車通過(guò)時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（例如：四分點(diǎn)，跨中點(diǎn)）進(jìn)行1 h 的撓度監(jiān)測(cè)，其撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖19。

圖19 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)計(jì)算分析，在車輛荷載作用下沙埕灣跨海大橋主梁各跨中位置撓度測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，撓度校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表10。 由此說(shuō)明本橋結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。

表10 校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算

綜上所述， 目前沙埕灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本正常，大橋處于正常工作狀態(tài)。

3 融合健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的評(píng)估方法

雖然與傳統(tǒng)的外觀檢測(cè)相比，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更能反映結(jié)構(gòu)整體內(nèi)在的損傷。 但是，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真率會(huì)隨時(shí)間的推移而增加， 如果單憑健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估橋梁的狀況，難以保證其評(píng)估的準(zhǔn)確度。

因此， 基于外觀檢測(cè)能較為準(zhǔn)確地評(píng)估出橋梁綜合技術(shù)狀況水平， 并用健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)“修正”外觀檢測(cè)，將兩者有效結(jié)合起來(lái)，能夠得出更全面更準(zhǔn)確的橋梁狀況水平。 主要有以下幾種方法：（1）健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和外觀檢測(cè)數(shù)據(jù)的融合一般分2 種，第一種可以賦予各自不同的權(quán)重，綜合得出橋梁綜合狀況水平。 但這種方法現(xiàn)在還不成熟，權(quán)重的選取、層次的劃分還需大量研究；第二種方法是以傳統(tǒng)外觀檢測(cè)為主，以健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輔，在外觀檢測(cè)得出的橋梁技術(shù)狀況水平的基礎(chǔ)上，充分考慮健康監(jiān)測(cè)所體現(xiàn)出的病害。 例如傳統(tǒng)外觀檢測(cè)中，斜拉索系統(tǒng)外觀完好，但是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示某些斜拉索索力異常。 此時(shí)需考慮斜拉索內(nèi)部鋼絲是否出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕等情況，并酌情考慮開(kāi)艙檢測(cè)。 （2）對(duì)于已經(jīng)建設(shè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁， 應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷狀況進(jìn)行識(shí)別，在此基礎(chǔ)上修正計(jì)算分析模型，使之能夠更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。 同時(shí)，在對(duì)橋梁進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)估時(shí)應(yīng)參考監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使得橋梁構(gòu)件評(píng)分更加科學(xué)，減少構(gòu)件評(píng)分的人為因素。橋梁結(jié)構(gòu)承載能力安全評(píng)估流程見(jiàn)圖20。

圖20 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力安全評(píng)估流程

此外，可以考慮將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與荷載試驗(yàn)相結(jié)合。 荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)或?qū)嶋H承載能力進(jìn)行檢驗(yàn)的一種試驗(yàn)手段，荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)較容易進(jìn)行分析且可靠性高， 荷載試驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜力力學(xué)指標(biāo)可作為運(yùn)營(yíng)期橋梁健康監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)狀態(tài)力學(xué)指標(biāo)的參考，結(jié)合的方法有以下幾點(diǎn)：（1）在養(yǎng)護(hù)管理單位的統(tǒng)一安排下，成橋荷載試驗(yàn)成果將作為橋梁全壽命期檔案過(guò)程的一部分靜態(tài)資料全部電子錄入運(yùn)營(yíng)期橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于未來(lái)大橋百年服役期內(nèi)的隨時(shí)調(diào)用；（2）成橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可作為運(yùn)營(yíng)期橋梁健康監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)狀態(tài)，運(yùn)營(yíng)期橋梁狀態(tài)可通過(guò)與基準(zhǔn)狀態(tài)對(duì)比分析確定，并掌握損傷發(fā)展趨勢(shì)；（3）基于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相似性，可以結(jié)合荷載試驗(yàn)傳感器布置的原則指導(dǎo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的布置，并使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器代替荷載試驗(yàn)所需要的傳感器來(lái)實(shí)施荷載試驗(yàn)，同時(shí)利用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

4 結(jié)語(yǔ)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為我國(guó)目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，交通運(yùn)輸部已經(jīng)將其作為“智慧交通”的重點(diǎn)項(xiàng)目。本研究介紹了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沙埕灣跨海大橋工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)橋梁安全狀況進(jìn)行評(píng)估分析，總結(jié)了監(jiān)測(cè)與檢測(cè)數(shù)據(jù)融合的方法，為今后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在養(yǎng)護(hù)管理的應(yīng)用提供借鑒。 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)護(hù)管理的決策具有重要的指導(dǎo)意義， 應(yīng)在橋梁養(yǎng)護(hù)管理體系、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器研發(fā)及數(shù)據(jù)深挖掘等方面繼續(xù)研究，不斷提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在管理養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用價(jià)值。