无背索斜拉桥健康监测系统的设计与优化

无背索斜拉桥健康监测系统的设计与优化

曾学良1，徐夫轩2，程鹏举2

1.湖州市公用事业管理中心，湖州313000；2.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 201100

摘要：无背索斜拉桥具有独特的造型及受力特性，因此其结构健康监测系统的布设方案不同于一般斜拉桥。基于有限元软件Midas-civil对湖州市某无背索斜拉桥进行仿真计算，根据计算结果确定该桥的主要控制截面，作为传感器布设依据，最后基于全寿命周期管养理论对无背索斜拉桥健康检测系统进行设计优化。

关键词：无背索斜拉桥；健康监测；有限元分析；全寿命周期管养理论

1 引言

目前，我国越来越多的桥梁进入运维阶段，对于科学运维、智慧运维的要求越来越高，建立符合大跨径、结构复杂的桥梁自身结构特点的健康监测系统成为维持结构正常运营、延长结构使用寿命并制定结构管养与维护的最优方案的必要条件。

无背索斜拉桥独特的造型导致该结构与常规斜拉桥的受力特性相差很大[1]。本文首先通过有限元仿真模拟获取湖州市某无背索斜拉桥的各种结构响应特征值，并确定关键控制截面，为该桥健康监测系统中通信传感设备的布设方案提供指导。然后通过传感器将结构在车辆荷载、温度荷载、环境随机振动作用下的真实响应上传至健康监测系统，将实测的关键数值与设计限值比较，作为桥梁安全状态评估和失效预警的依据。最后基于全寿命周期管养理论对无背索斜拉桥健康检测系统进行优化设计。

2 模型建立与分析

2.1 桥梁概况

湖州市某无背索斜拉桥采用“连续刚构+斜拉索”组合体系结构形式，桥跨布置为80m+25m，主梁全宽20m，塔结构高58m，塔身轴线后倾30°，纵桥向为变截面，由底部向顶部逐渐变窄；横桥方向塔身宽为2.2m，向内倾斜4度，顶部逐渐靠拢。塔身下部和箱梁顶部与墩身承台连接为整体，塔墩梁固结，形成稳定的框架刚构体系。下部结构采用柱式墩台，钻孔灌注桩基础。立面布置如图1所示。

图1湖州某无背索斜拉桥立面布置

2.2 计算参数取值与模型建立

根据桥梁竣工图纸，采用有限元软件“Midas Civil 2021”建立模型，斜拉索、主梁分别采用桁架单元及梁单元模拟，塔墩梁固结。设计荷载为城-B级，人群荷载按3.5 kN/m2计，材料参数取值见表1：

表1 材料参数

计算模型共划分933个节点，566个单元，全桥计算模型见图2。

图2湖州某一无背索斜拉桥计算模型

2.3 基于有限元分析结果的桥梁控制截面

1）动挠度监测控制截面

通过有限元建模分析，结构在车辆荷载作用下的响应最大点位于中跨距离边跨31m处，而非主梁跨中位置，如图3所示。因此，在此处及四分点设置传感器以监测主梁动挠度。并在桥梁横桥向两侧各布置一个传感器，用于同步监测主梁的横向扭转和偏载效应[2]。

2）主塔偏移监测

索塔位移的有限元计算结果见图4。主塔偏移监测测点应布置于独塔顶部位置，主要用于测定承担核心受力支撑作用的桥塔在运营过程中的整体位置变化。因此在索塔位移控制截面处布置2个测点。

3）梁端纵向位移监测

在温度和地震荷载等作用下，跨度较大的斜拉桥主梁相邻构件会产生相对位移，引起结构状态和边界条件的变化。因此，需要开展主梁端部伸缩缝位置的纵向位移监测，以反映结构整体的位置变化、边界条件和伸缩缝工作状态。

4）桥梁振动监测

主梁振动能够反映桥梁整体的质量和刚度变化，也体现了桥面车辆和环境共同对桥梁产生的影响。因此，在桥梁阵型的最大振幅位置开展振动监测，从而评估桥梁在运营过程中整体振动状态的变化。根据有限元分析结果可知：主梁竖向一阶阵型最大振动位置位于中跨距离边跨26m处，如图8所示。

5）索力监测

考虑振动法监测的适用性和索力监测结果的代表性，东侧索面从最长索一侧开始间隔监测索力，西侧索面自次长索间隔监测索力，由于该桥梁属于对称结构，横桥向索力一致，因此，该方法可覆盖活载作用下所有斜拉索索力变化情况。

2.3.6 应变监测控制截面

应变监测点选取在结构关键部位以及在活载作用下结构响应相对较大的截面。由有限元分析结果可知：主梁在活载作用下内力变化最大的截面位于中跨距离边跨23.5m位置（非中跨跨中），桥塔内力最大的截面位于塔底。根据计算结果，在桥塔两个截面布置4个轴向应变计，在主梁跨中梁底布置2个纵桥方向的应变计。

3 健康监测系统设计与优化

3.1 监测内容

根据《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》[3]要求，并结合桥梁自身的特点和管理需求，开展无背索斜拉桥健康监测系统设计，设计内容如表2所示。

表2 无背索斜拉桥监测内容

3.2 测点布置

测点应布置在桥梁关键控制截面处，可参考本文2.3节，此外，测点布设过程中应综合考虑施工难度及管养方便程度，测点布设方案如图5所示

3.3 系统集成

健康监测系统总体架构包含六个层级，硬件层、数据层、平台层、应用层、接入层和用户层。硬件采集数据通过光缆上传至数据层，对大数据进行分析、整合、存储、管理，汇总后的的数据通过无线通讯的方式传输至桥梁监测综合管理平台，并经平台各应用模块处理后发送至管养单位，为管理部门监管、决策和应急指挥调度提供有效的数据支撑。

3.4 系统优化设计

桥梁安全的运营和维护受施工控制、成桥荷载试验和运营期健康监测的影响，然而，这三项任务分布于桥梁全寿命周期的不同阶段，且由不同主体承担。因此，我国多数桥梁健康监测系统的设计仅参考竣工设计资料，存在着设计模型不合实际、危险性分析不完善、预警指标单一、桥梁剩余寿命的预测不准确以及桥梁安全状态评估不合理等缺点。因此，基于桥梁结构的全寿命管养理论[4]，对湖州某无背索斜拉桥健康监测系统优化设计如下：

1、本次设计将施工监控数据、荷载试验及历年结构检测结果录入健康监测系统数据层作为桥梁的初始状态，结合健康监测数据在系统应用层中获得结构劣化曲线。

2、将荷载试验的实测值乘以折减系数作为第一级预警指标，将实测交通荷载和环境作用输入初始基准模型得到的分析结果作为第二级预警指标，而非仅以设计值作为预警指标，从而可提高预警的安全系数。

3、移动端设备普及性、便携性可有效增加管理单位、维养单位对桥梁结构的动态管理效率。但与健康监测系统PC端不同的是，移动端应在实时掌握应力、索力、挠度、车流量等数据的基础上，移动端更应注意提高多级预警信息推送准确性、数据分析的时效性、维养意见的即时性，信息直送至一线维养人员，减少传达时间。

4 结语

针对无背索斜拉桥的结构特点，为湖州某一桥梁健康监测系统进行设计及优化，主要成果为：

（1）通过有限元模型的计算结果，确定桥梁关键控制截面，并作为健康监测系统中传感器测点的布置依据；

（2）从环境参数监测和结构的整体响应与局部响应监测和等三个方面对无背索斜拉桥的健康监测系统进行设计，

（3）基于全寿命周期管养理论，对健康监测系统进行优化。

参考文献

[1]王勤康. 无背索双斜塔斜拉桥静力和整体稳定性分析[D].合肥工业大学,2017.

[2]彭安平,李亮.振动荷载与移动荷载作用下桥梁动力响应对比试验与数值分析[J].铁道科学与工程学报,2019,16(09):2256-2264.

[3] JT/T 1037-2022,公路桥梁结构安全监测系统技术规程[S].北京：人民交通出版社，2022.

[4]杨静,李大鹏,岳清瑞,曾滨,刘晓刚,樊健生.建筑与基础设施全寿命周期智能化的研究现状及关键科学问题[J].中国科学基金,2021,35(04):620-626.