某钢管拱桥梁健康监测介绍

某钢管拱桥梁健康监测介绍

张振

关键字：钢管拱桥；健康监测；过程与方法

1.引言

为了保障桥梁结构在运营中的安全，在加强常规桥梁养护和维护的同时，采用先进的桥梁健康监测技术，在桥梁上安装健康监测系统，实时监测桥梁结构的运行状态和安全水平，对于提高桥梁的养维护技术水平，提高桥梁的运营安全，保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，具有重要的现实意义。

本文以国内某座钢管拱桥为背景，介绍桥梁健康监测的过程与方法。

2.工程实例

2.1工程概况

某大桥是一座特大型桥梁，主桥为跨径220m中承式悬链线钢管混凝土桁架拱桥。桥梁立面布置如图1所示。

图1桥梁立面图

2.2系统总体设计

1、系统编制依据

编制本桥健康监测系统方案的主要资料和依据为相关工程资料、技术标准、设计规范、施工规程等，本文不一一列出。

2、系统设计原则

本桥健康监测系统设计原则是：

(1)结合桥梁结构的设计运营的具体特点和实际情况，遵循适用、经济、长期、高效的原则进行健康监测系统的优化设计；

(2)采用技术成熟、性价比高的配套产品，保证系统的精确性、稳定性；

(3)采用实时监测和人工巡检相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度；

(4)设计合理、直观、易用的前后处理模块，以便有效处理、分析和管理采集的数据；

(5)组织专业化的监测队伍，贯彻质量方针和目标，精心组织，科学实施，严格质量控制。

3、系统主要监测内容

根据本桥的结构特点拟实施的监测项目包括以下几方面组成：

（1）几何监测：包括拱肋空间静态位置与形变、桥墩的沉降与变位、基础变位等；

（2）荷载监测：包括风、温度、交通荷载等；

（3）结构振动监测：掌握结构的振动频率和阻尼特性，掌握结构在各种荷载作用下的动力响应；

（4）拱肋断面应力监测：拱肋上埋置应变计对其进行应力监测；

（5）温度场监测：掌握桥址处环境温度的实时情况，以及桥梁结构上部温度梯度变化情况。

4、系统组成

考虑到本工程的重要性及其损伤衰变的长期性，本方案将设计连续在线自动监测系统。即布设相应的测试传感器，并将传感器、数据采集硬软件系统、数据传输系统、数据分析、结构安全评定和数据库等集成为一个完整的系统，系统自动运行，监测结果和分析结果通过可视化技术和网络化技术可以实时在多个远程客户端显示。实时掌握运营后的服役状态及安全状况，对紧急情况做出预警，最大程度上减少损失。

运营健康监测系统组成框图如图2所示。

2.3传感器系统

需要测量的结构整体与局部性态包括：结构关键部位的加速度、位移、应变。

(1)加速度传感器

桥梁在风荷载和车辆荷载的作用下，将产生动力反应，通过测量桥梁的加速度反应可以分析其振动特性，为损伤识别和模型修正提供数据；同时，对加速度信号积分，可以得到结构的动位移；最后，监测加速度还可以验证结构设计。

对于桥面，需要同时测量竖向和水平向加速度，因此，需要选用三轴加速度传感器。

吊杆是桥梁的重要杆件，吊杆的拉力直接影响桥梁的内力和安全性，因此，测量吊杆的拉力具有重要的意义。通过在吊杆上布设加速度传感器可以得到吊杆的自振频率，然后根据吊杆预紧力与其固有频率的关系，可以得到吊杆的拉力。

(2)局部应变传感器

监测桥梁关键部位的应变，是进行结构参数识别与损伤识别的重要依据，是评定桥梁安全性的直接手段，也能用以结构设计验证。

传统的应力监测传感器常采用电阻应变片，但应变片的稳定性、耐久性以及抗电磁干扰的能力差，灵敏度较低。为了满足户外恶劣环境的长期实时监测需要，本项目选用弦式应变传感器。考虑桥梁结构的对称性，及数据的有效性结合积极性，在上游拱肋选择几个关键截面（拱脚附近、L/8、L/4、3L/8、拱顶）安装应变计，测点如图3所示：

损伤监测及安全评定与预测结论

1、损伤探测、参数识别与模型修正

（1）损伤探测

通过光纤光栅应变传感器直接监测桥梁的动应变状态，判断桥梁的危险结构部位。通过疲劳寿命传感器直接探测结构关键部位的疲劳损伤累积，从而推断其抗力（强度和刚度）衰减状况，为后续的模型修正和安全评定提供数据。

（2）参数识别

根据监测得到的结构整体加速度响应信号，识别结构的频率和振型等模态参数，并根据桥梁结构在服役过程中的模态参数变化判断结构的整体损伤。

（3）模型修正

根据识别得到的结构整体模态参数，修正结构模型，在修正结构模型时，充分利用结构局部损伤探测的结果，修正对应的单元刚度矩阵，使得结构计算模态参数逼近识别到的模态参数。

2、实时安全评定与预测

（1）实时安全评定

通过实时监测，可以比较好地掌握结构的服役状态，建立准确的结构模型。同时，通过对车辆和风荷载的监测，可以比较准确地确定结构的外部荷载，因此，结构实时安全评定是一种确定性的安全评定，可以采用构件安全度评定和结构整体安全度评定两种方法。

实时安全度指标可以采用最大应力比、最大挠度和最大加速度。

（2）结构安全预测

结构安全预测也采用确定性安全评定方法，可以分两种情况：

第一种情况，针对当前的结构模型，预测即将发生的风荷载（通过气象预报）和车辆荷载（通过通常的车辆荷载统计，或者特殊情况可以预计的车辆荷载），评定结构的安全状态。

第二种情况，针对当前的抗力衰减过程，预测结构将来的抗力，建立相应的结构模型；根据当前已经遭遇的最大荷载，评定结构将来的安全状况。

2.4数据管理与传输及软件系统

1、动态数据管理系统

考虑到系统的响应时间和数据的完整性、统一性以及正确性，整个系统中的数据采用分布式处理，集中式存储的管理模式。

桥梁动态数据管理系统功能模块主要由实时数据库和常规数据库构成，动态数据管理系统负责对这两个数据库的管理，同时将数据库中的数据根据用户需求进行打印输出，最终达到快速存取、数据独立、数据库可扩充并且灵活支持扩展应用等目标，系统的结构图如图6所示。

3、远程传输

现场服务器计算机的RS-232接口，通过调制解调器进入市电话网，经电话线路将信号传输到管理中心，再由调制解调器和RS-232接口进入中心服务器计算机，其他用户就可通过管理中心的局域网或通过拨号上网得到自己需要的服务。

2.5施工保障措施

因为监测是长期的实时在线监测，现场恶劣的自然环境对于监测系统的各种硬件设备、数据通讯与采集都是严峻的考验。因此，除了在选择传感器等仪器设备时，要求具有非常良好的耐久性、稳定性和对环境的适应性外，还必须采取有效的现场保护、维护措施，满足桥梁运营过程安全预警依据的需要。

3.结论

本文通过一座具体桥梁，介绍了健康监测设计、监测、数据采集与分析处理、安全评定等过程与方法，希望给工程设计人员提供参考。

参考文献：

[1]唐光武.桥梁检测监控看门道[J].中国公路,2016,(19):91-92.

[2]韩东锐,张波,隋景堂,赵翠芝.海工桥梁钢结构腐蚀监检测技术探讨[J].公路交通科技,2010,(S1):106-108.

[3]吕冀.桥梁监测数据处理与可视化方法研究[D].长安大学,2010.

[4]张启福.应用于桥梁健康监测系统的分布式测控系统的研究[D].西南交通大学,2010.

[5]唐亚鸣,丁立波,张河.桥梁健康无线监测系统[J].土木工程学报,2005,(07):71-74.

[6]吴小平.复杂桥梁结构综合监测系统开发研究[D].浙江大学,2005.

[7]郑旭锋.桥梁振动检测系统的研究与应用[D].重庆大学,2002.