繁华大道跨南淝河斜拉桥健康监测技术

卓之彪，李祥东

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

1 桥梁监测内容及监测系统

繁华大道跨南淝河斜拉桥位于合肥市繁华大道，往东至肥东县，向西接壤合肥市。桥长764.5 m，桥宽40.5 m，桥梁索塔为“H”型。该桥的主桥跨径分别为160 m和120 m两跨，主塔柱自桥面以上高91 m，是目前合肥市单跨跨度最大、宽度最宽的桥梁。

根据《建筑与桥梁结构监测技术规范》(GB50982—2014)(住建部)/《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T 1037—2016)(交通部)，对于现役桥梁健康监测系统的监测内容及其数量如表1所示。

表1 系统监测内容

本系统主要包括监测模块、基准站模块、数据中心模块(云平台)，具备实时监测、数据采集与传输、自动预警等功能[1]。

(1)监测模块主要由嵌入式系统软件和硬件设备两部分组成。其中嵌入式系统软件主要作用是数据采集、数据存储及传输等，硬件设备的组成为监测芯片、信号接收器等[2]。

(2)基准站模块。基准站一般建立在视线良好的已知点上，为了便于观测，将其作为一个永久性的固定参考点。

(3)数据中心模块主要是数据的存储平台和分析平台，数据中心模块的核心是处理海量监测数据。

2 监测方案

主桥主梁为钢筋混凝土箱梁。为了便于监测点的布置，将主桥的跨径分为主桥左跨和主桥右跨，依次从左到右将桥墩编号为1#、2#和3#。桥梁测点总布置如图1所示。图中尺寸单位为mm。

图1 主桥测点总布置立面图

2.1 主桥挠度、支座位移、倾角的监测

(1)在主桥左跨的1/2、3/4、4/4断面处以及主桥右跨的1/2、1/4、3/4、4/4断面处设置主桥挠度监测点。用于监测挠度的静力水准仪共计12个，安装时尽量保持在同一水准面上且安装在箱梁的内部。

(2)在主桥最左侧支座顶部和主桥最右侧支座顶部设置支座位移监测点，支座位移传感器共计4个。

(3)距主桥桥塔顶端3 m处设置倾角传感器，其中桥塔的一侧有横向和纵向两个倾角传感器，桥塔为对称结构，共计4个倾角传感器。

2.2 主桥主梁应变和桥塔应变的监测

(1)主桥主梁应变的监测

主梁应力、应变变化由自重荷载、车辆荷载和斜拉索索力以及温度的变化、混凝土的收缩徐变等多方面的因素决定[3]。通过监测主梁各部位的内力变化，分析主梁各部位在荷载作用下的结构状态评估、疲劳损伤评估及结构损伤是监测主梁应力的主要内容[4]。应力传感器布置于主桥左跨1/2、主桥右跨1/2以及主桥2号桥墩处箱梁两侧，共计24个。

(2)桥塔应变的监测

桥塔产生巨大的附加弯矩的原因是桥塔荷载不对称，因此对桥塔截面进行应力监测是必不可少的[5]。

桥塔应力监测截面位于桥塔横梁顶面上部3 m的桥塔左右两侧各一个，对称桥塔上应力传感器共计8个。

综上统计，应力传感器共计32个，其中主桥主梁应力传感器24个，桥塔应力传感器8个。

2.3 主桥温度和风速风向的监测

(1)温度的影响。温度的改变会使得斜拉桥的两种主要材料混凝土和钢材的收缩膨胀不同步，差异较大[6]。因此，对主桥温度进行测点监测。温度传感器布置于主桥左跨1/2处和主桥右跨1/2处，共计20个。

(2)风速风向的影响。风速风向监测点设置在主梁上，主桥主梁右跨的1/2处，共计1个。

2.4 主桥加速度的监测

通过动力加速度监测，可以有效判断大桥在地震和风震作用下的状况[7]。于主桥左跨1/2处、主桥右跨1/4、1/2、3/4处和距离桥塔右侧水平4 m处、距离桥塔顶面竖直1 m处布置加速度传感器，共计17个。桥塔加速度传感器安装在桥塔内部，箱梁加速度传感器安装在桥面板上表面(拉索区)。

2.5 索力的监测

拉索作为斜拉桥上部结构主要承重构件，对索力的健康监测是必不可少的[8]。该斜拉桥桥塔共计96根斜拉索，分别是桥塔北边半幅48根斜拉索和桥塔南边半幅48根斜拉索。对每一根斜拉索进行编号监测，从桥塔向两侧开始编号。例如桥塔北边半幅48根斜拉索，向西侧往合肥方向编号依次为1#西北、2#西北、3#西北......24#西北。同理，另一侧向东侧往肥东方向编号依次为1#东北、2#东北、3#东北......24#东北：而桥塔南边半幅48根斜拉索以此类推编号为1#西南、2#西南......24#西南，1#东南、2#东南......24#东南。

3 数据的采集、传输及预警

现场所采集的所有数据均采用无线方式进行传输，通过GPRS/4G网络的方式进行传输[9]，方便快捷。

桥梁健康监测系技术预警的目的是及时报告结构中潜在的安全风险，在危险事故发生前进行提醒与预警。基于这一基本思想，桥梁结构安全监测预警体系应满足以下3个特点：

(1)及时性。健康监测预警最重要的作用就是在危险事故发生前进行预先提醒，以避免严重安全事故的发生。因此对于健康监测预警而言，“事后诸葛亮”是毫无意义的，必须以健康监测实时采集的各类指标响应监测值为依据，对桥梁结构存在的潜在风险及危险趋势进行预警，向有关部门报告紧急情况，在最大程度上降低安全事故所造成的损失。

(2)准确性。有效的预警能够降低危险事故造成的损失，并为有关部门后续的加固、维修和养护工作提供有价值的参考。因此，一个合理有效的桥梁健康监测预警必须采用一定方法识别不影响结构安全的数据失真、外部因素影响等误报警情况，同时也必须对结构中潜在风险的监测指标的变化有较高的灵敏性，实现准确有效的结构预警。

(3)自动性。由于桥梁结构体积巨大、结构复杂，布置于其上的传感器种类和数量繁多，每时每刻均会采集并储存大量数据。若预警技术的自动化程度不高，单纯依靠人工识别是无法达到及时预警的要求的。因此，桥梁健康监测预警必须具备自动处理数据，并自动预警的功能。

4 数据的处理及结论

在通过桥梁结构健康监测中，对各传感器监测的数据进行分析处理是必不可少的，数据的处理结果直接反映出桥梁的运营状态，对桥梁的正常运营以及后期的维修养护起到至关重要的作用。

以2019年5月16日凌晨3∶00至3∶15之间行车数量较少的15 min时间段内左跨跨中加速度传感器Az2的监测数据为例，进行数据分析处理。加速度时程记录数据如图2所示。

图2 左跨跨中测点Az2加速度的时程记录

将图表中的数据与桥梁上下桥段处的监控相结合分析，可以推断出以下结论：

(1)当车辆通过时，桥梁主梁的竖向加速度明显呈现出非平稳的状态。

(2)竖向加速度值的大小与通过桥梁的车辆重量有密切的关系。

(3)当数据超过一定阈值时，后台系统会自动进行预警警示，进而结合监控进行车辆超重超速抓拍。

5 软件系统

软件系统主要功能[2]：

(1)远程控制硬件。为了远程调整测试参数将监测系统与硬件设备相结合，传统仪器及系统的介入是为了避免参数的紊乱。

(2)控制数据采集方式。为了满足不同需求及状况，进行实时监控、定时采集、特殊状况采集等自动采集方式，也可进行人工干预控制采集。

(3)数据分析功能。主要对数据进行分析处理，其中包括结构参数的识别、数据的统计分析、结构的健康评估等功能。

(4)结构安全预警。当系统进行自动预警时结构存在安全隐患，报警的形式有实时界面提示、报表等。

6 结 语

斜拉桥作为现代社会交通网络的重要组成部分，对国家经济发展极为重要。随着越来越多大跨度的斜拉桥涌现，随之而来的是由于养护工作不到位、行驶车辆超载等原因而导致的桥梁事故和结构损伤。因此，有必要借助健康监测技术采集的海量数据，利用合理的预警及安全评估系统，对桥梁安全事故进行健康监测，并为养护工作提供参考依据[10]。