基于系杆拱桥的桥梁健康监测研究

基于系杆拱桥的桥梁健康监测研究

叶菁1

(1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 201100)

摘要：中国城市建设已从高速发展阶段转向高质量发展阶段，城市交通基础设施建设增速放缓，发展重点转向存量设施的维护和管理。桥梁是城市交通的重要节点，是制约城市交通稳点、可靠、高效运行的咽喉，是管理部门养护的重点。为解决运营期城市桥梁群养护过程中巡检不全面、不及时的问题，本文提出利用物联网等技术对绍兴某系杆拱桥建立监测系统，为管养部门提供一体化监测平台[1]。

关键词：桥梁；健康监测；系杆拱桥；台风

引言

桥梁是市政交通重要基础设施，随着现代社会的高速发展，其数量和规模都趋于完善，发展重点转向存量设施的维护和管理。桥梁健康监测系统是区别于传统基础设施管养的智慧化管养方式，更能满足市政设施快速增长的体量与不断提高的管养标准的要求。

文本依托系杆拱桥建立监测系统，分析台风桥后结构的拉索响应，分析结构的安全性,验证了桥梁健康监测系统的性能。

1监测方案设计

选取绍兴某跨江桥梁主桥为5跨连续系杆拱桥建设桥梁健康监测平台，该桥桥跨布置为40m+3×185m+40m，桥宽45m，于2011年竣工，设计荷载为城-A级。中跨和次中跨为钢管混凝土结构，边拱为钢筋混凝土半拱结构。

该桥健康监测共有45个测点，如下表所示。

图1 桥梁立面图

表1 各监测量测点统计表

2系统设计

2.1系统构架

桥梁健康监测系统主要有四大子系统：前端数据采集与传输子系统、数据管理子系统、结构预警与评估子系统、数据可视化子系统。前端数据采集与传输采集结构响应信号，将其转化为相应的物理量传输至数据库，可称为源数据。数据管理子系统对源数据进行包括数据清洗、异常值剔除在内的数据处理及相关存储。结构预警与评估子系统通过不同结构监测量的算法评估结构运营和安全状态，同时界定不同监测量波动范围的阈值，实现对结构异常自动预警。数据可视化子系统是以上所有数据及数据处理的可视化结果，展现形式主要为网页端、APP端大屏页面等[2]。

2.2功能模块

（1）桥梁群一张图将城市桥梁的BIM模型叠加在GIS地图上，形成桥群图，显示城市中各种桥梁的分布情况，并可查看周围的地形、道路、河流等信息。桥的名称和疾病的数量可以标记在每个桥的图标上，两侧的看板中以指标和图表的形式展示桥梁的类型分布、病害类型分布等信息，以直观的方式向用户展示桥梁群的基本情况和整体健康状况。（2）运行监测主要实现对桥梁交通运行状况、结构健康状况、运行环境等的监测，交通运行状况包括交通流量、交通事件、视频监控等信息，结构健康状况包括各传感器回传的位移、振动、应变等信息，运行环境包括环境温度、湿度等信息。系统支持点选查看单个传感器的实时数值，也可组合不同传感器数据，组成监测网络。系统可通过折线图展示各参数的变化情况，当指标超过预设的阈值时，系统可自动报警。（3）智慧养护基于BIM模型，叠加病害信息、养护信息，形成桥梁养护档案，用户可通过拖拽模型，查看墩柱、底板等隐蔽位置的病害信息，指导养护部门制定养护策略。系统内置智能养护模型，根据系统动态感知的桥梁结构健康状况，结合承载的交通量特点，推演结构病害的变化规律，指导预防性养护策略制定[3]。

2.3安全预警技术

本系统结构安全预警策略为阈值三级超限预警，阈值取值影响因素有很多，包括规范值、结构技术状况、监测数据统计值、结构特殊事件等。当监测数据超过对应阈值，平台首先通过自身算法判定该条预警是否误报，判定误报则不通知，否则立即发出警报通知运维人员。

三级预警根据预警等级分别为：一级预警为可能会存在影响正常使用的指标异常的状态；二级预警为可能会出现安全事故的状态；三级预警为出现严重安全隐患或者缺陷，极大可能出现重大事故[4]。

3监测结果实例分析

2022年9月14日20时30分前后，台风“梅花”登陆浙江舟山，登陆强度为强台风受台风。受其影响，9月14日绍兴地区暴雨，西北风7-8级，9月15日转小雨，西南风6-7级。

由于结构未设置系梁，整体刚度偏小，吊杆容易引起“风雨振”，以代表性跨中拉索振动为例进行相关分析。如下图所示，与没有台风的时候相比，“预台风”和“台风”期间，两个测点的索振动加速度数值整体增大，且更为分散，极值增大增多，这种趋势在“台风”期间更为明显。其中，台风中吊杆超过一级预警值，振动明显偏大；同时“台风前”数据与“台风后”数据相比，数据分布相近，说明在台风后，桥梁结构恢复稳定，未对结构造成严重损失。

图2 吊杆振动时程图

4结束语

我国城市桥梁已进入存量发展阶段。通过物联网等技术的联合应用构建桥梁在役群监测系统，将桥梁检测评估和结构健康监测两种管理技术相结合，为桥梁管理和养护部门提供现代化的管理工具，通过系杆拱桥监测的验证，能够有效提高桥梁管理效率。

参考文献：

[1]徐哲能,郑淑倩,王烨晟,关淑萍,邱鹏.基于物联网桥梁结构健康监测与智能预警平台建设[J].现代信息科技,2023,159-163

[2]马小琴,毛凡俊,刘雨凡,王无穷.桥梁智能健康监测系统的研究与设计[J].黑龙江工业学院学报(综合版),2019,19(07):38-46

[3]周岳,朱毅,李高堂,王焕新,乔升访.桥梁智能化健康监测研究现状分析[J].广州建筑,2019,47(04):3-7.

[4]陈华鹏,刘昌雨.桥梁服役状态评估与性能预测[C]//中国工程院,中国铁道学会,北京茅以升科技教育基金会.第九届桥梁与隧道工程技术论坛论文集.第九届桥梁与隧道工程技术论坛论文集,2019:73-78.

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