金水沟大桥健康监测系统研究

李子春，杨雅勋，郝宪武

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064)

传统的桥梁检测工作是采用人工检测手段分别对桥梁的关键部位单独检测，对于一般的桥梁结构，这种处理方法是可行的，然而对于大型桥梁结构，由于其主要承重构件数量众多，如果仍然使用传统方法，则对桥梁现场的实际情况将难以全面掌握。为了解决这一问题，研究桥梁结构健康监测系统，实时自动监测桥梁结构的工作环境和结构性能，将是大型桥梁结构检测方式的发展趋势［1］。

我国自20世纪90年代以来，修建了为数不少的刚构—连续梁桥，这些桥梁在运营过程中逐渐暴露出一些病害，而桥梁健康监测系统在体现桥梁健康状况方面起到很大的作用，为桥梁的日常维护和运营管理提供了科学依据［2］。本文以金水沟大桥健康监测系统的建设为例，建立了桥梁的有限元模型，计算了大桥的自振特性，结合大桥自身结构特点，设计了健康监测的实施方案，为金水沟大桥健康监测系统的实施打下基础。

1 金水沟大桥有限元分析

金水沟大桥是国道主干线(GZ40)禹门口—西安段高速公路上的一座特大型桥梁。桥梁全长850 m，采用预应力混凝土连续刚构与连续梁组合结构形式，跨径为(88+5 × 136+78)m，其中 1#、5#、6#墩顶设置支座，其余桥墩的主梁与墩顶固结(参见图2)。

本文采用有限元软件ANSYS来建立金水沟大桥的计算模型，其中主梁、主墩采用空间变截面梁单元Beam188，二期恒载采用质量单元Mass21。

采用子空间法(Subspace Method)计算金水沟大桥自振特性。表1给出了金水沟大桥模型的前10阶频率，前6阶振型如图1所示。

表1 模型前10阶频率

图1 全桥第1～第6阶振型

2 健康监测项目的选择

桥梁健康监测项目的选择，应首先尽可能反映桥梁运营期间的结构实际工作状态，并满足桥梁管理部门、维修养护部门的有关要求，确定系统需要获取哪些信息;其次应结合监测费用，从大量可选项目中选取适当项目实施，达到最大费用—效益比［3］。

桥梁结构健康监测项目包括3个方面的内容:工作环境监测、结构状态监测和结构响应监测。从金水沟大桥健康监测的目的出发，根据该桥的结构特点和健康监测的功能要求，确定该桥健康监测主要包括以下项目［4］:

1)桥址处风速、风向的监测;

2)环境温度和桥梁各构件温度分布的监测;

3)车辆荷载的监测;

4)桥梁几何线型的监测;

5)结构振动的监测;

6)主要承重构件受力的监测;

7)支座位移的监测。

3 健康监测仪器的选择及测点布置

对于具体桥梁健康监测而言，传感器的选型是非常重要的［5］。根据监测项目的不同，对金水沟大桥健康监测传感器进行如下选择:

1)风速、风向

采用EDZ-I型风向风速仪进行风速、风向的监测。EDZ-I型风向风速仪可实时对风向、风速(瞬时、2 min、10 min)、风变量、风极值等进行自动观测。该仪器采用玫瑰图和数字方式显示风向及风速、风变量、极值、实时时钟，可实现单站测量也可实现多站测量。

2)温度、应力

考虑到要适合长期观测并能保证足够的精度，温度和应力监测的仪器选用加拿大ROCTEST公司出产的SM-5A弦式表面应变计。这种应变计可以同时测应变和温度，而且测试误差小、性能稳定，适合长期观测。

3)车辆荷载

为了掌握过桥车辆的载重信息，在左右幅桥梁车道各入口处安装压力传感器，采用实时触发采样。

4)几何线型

金水沟大桥几何线型监测采用光电测距法。光电测距法是通过布置在主梁及墩身的棱镜，与测量用的德国蔡司(ZEISS)全站仪配合使用，即形成光载波通信系统，利用全站仪的红外激光探测功能，对棱镜进行连续监测，从而确定主梁和墩身的变位情况。金水沟大桥几何线型监测采用长期定时监测，每月测试一次。

5)结构振动

振动监测使用的传感器是中国地震局哈尔滨工程力学研究所生产的891-II型拾振器。

6)支座位移

支座位移采用的传感器为WY-100电子位移传感器，在全桥5个支座分别沿横、纵桥向各安装1个。

金水沟大桥主桥传感器具体布置如图2所示。

图2 金水沟大桥主桥传感器布置

4 健康监测系统总体构成

金水沟大桥健康监测系统包括传感器系统、数据系统、健康诊断系统及状态评估系统，具体如图3所示。

4.1 传感器系统

传感器系统主要包括风速仪、温度计、应变仪等多种传感器及相应的信号放大与接口，其目的是完成对桥梁结构环境状态、荷载信息以及结构各种静动态响应信号的传感与变换功能。

图3 金水沟大桥健康监测系统

4.2 数据系统

数据系统包括数据采集、数据传输、视频监控及数据管理四个子系统［6-7］。

1)数据采集

数据采集系统的功能是将经传感器变换、调理器调理放大的信号进行收集、处理并传送给计算机，以便作进一步的分析。

考虑到传感器分布位置、信号放大及传输信号衰减等因素，在金水沟大桥的左右幅箱梁内共设置12个数据采集外站，所有的监测项目都进行连续数据采集、存取。为确保外站设备稳定持久地正常运行，为外站设计专门的机柜及其环境控制系统。同时，为了防止停电等故障对数据采集单元的影响，还需安装 UPS电源。

2)数据传输

数据传输系统负责传感器到外站以及各个外站和监控中心之间的连接。金水沟大桥数据传输系统由12个外站、监控中心3台计算机、1台计算机服务器，通过局部光纤或电缆网络和整体光纤网络组成。

3)视频监控

视频监控系统的主要目的是监测桥面交通情况，要求摄像头布点合理、图像清晰，监控范围覆盖整个桥面。

4)数据管理

数据管理系统的主要功能，是实现对桥梁结构工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理，通过该系统可进行数据的修改、删除、查询等操作。金水沟大桥数据管理系统用3台计算机连接桥上12个外站，形成一个计算机网络，安装在大桥监控管理中心，并配置所需的数据显示软件。

4.3 健康诊断系统

健康诊断系统是桥梁健康监测综合系统的关键部分，其目的就是利用监测所获取的结构信息，对桥梁进行结构分析与损伤识别。结构损伤识别包括:损伤存在识别、位置识别和程度评估。金水沟大桥结构损伤识别采用自行开发的损伤识别程序进行，包括根据金水沟大桥特点所建立的新的损伤识别指标及损伤识别优化算法。

4.4 状态评估系统

状态评估系统是金水沟大桥健康监测系统的核心内容。根据健康诊断系统所提供的数据，该系统将进行桥梁承载能力、剩余寿命以及桥梁状态三部分内容的分析，并给出评估结果，为桥梁的日常管理养护提供依据。

5 结语

大型桥梁结构的健康监测是一个非常复杂的系统问题，涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、通信等多门学科。本文以金水沟大桥为背景，构造了一个科学合理的健康监测系统，并介绍了系统的监测内容、组成和功能。本文的研究对金水沟大桥健康监测系统建设有科学指导的作用，为今后同类型桥梁结构健康监测系统建设提供参考。

［1］缪长青，李爱群，韩晓林，等.润扬大桥结构健康监测策略［J］.东南大学学报(自然科学版)，2005，35(5):780-785.

［2］宗周红，孙建林，徐立群，等.下白石大桥健康监测系统的设计与研究［J］.铁道学报，2008，30(5):65-71.

［3］缪长青，李爱群，冯兆祥，等.润扬大桥结构健康监测系统设计研究［J］.世界桥梁，2006(3):63-66.

［4］杨雅勋.基于动力测试的桥梁结构损伤识别与综合评估理论研究［D］.西安:长安大学，2008.

［5］吴小平.复杂桥梁结构综合监测系统开发研究［D］.杭州:浙江大学，2005.

［6］王若林.桥梁实时在线检测与健康监测若干问题研究［D］.武汉:武汉大学，2005.

［7］巴力，贺一新，邓志飞.大跨径预应力混凝土连续刚构桥加固施工监控［J］.铁道建筑，2009(1):89-92.