异形钢管混凝土系杆拱桥结构健康监测系统

缪长青 李爱群

(东南大学土木工程学院，南京210096)(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096)

目前，国内外的桥梁健康监测系统主要是针对悬索桥、斜拉桥等特大型桥梁，关于系杆拱桥、预应力混凝土梁桥的健康监测与评估系统较少.随着我国城市建设的快速发展，各种结构形式的混凝土系杆拱桥越来越多，而这些桥梁在长期运营中普遍存在吊杆损伤、预应力松弛或失效、裂缝等病害现象.因此，开展针对系杆拱桥等混凝土桥梁的健康监测与安全评估方法的研究具有重大的经济和社会效益［1-3］.

本文以洛阳瀛洲大桥为对象，研究了异型钢管混凝土系杆拱桥的结构健康监测与安全评估的方法.通过多尺度结构有限元分析、易损性分析和响应敏感性分析，进行了结构健康监测系统传感器优化布设.以结构第一传力体系静力特点为主、动力特点为辅构建了结构状态预警与安全评估系统.

1 工程概况

出于美学与景观的考虑，近年来许多桥梁都采用了一些异形结构设计.洛阳瀛洲大桥是跨越洛河的一座重要的城市交通景观桥梁，大桥建筑创意取材于洛阳八景之一的“天津晓月”，居中的主跨被称为“月亮拱”，桥面以上由3根钢管组合形成空间弯月造型，两侧采用8个小连拱造型与主桥交相辉映［4-5］.

大桥总长1.160 km，其中主桥长610 m.荷载等级为城A级.主桥的主跨(U05联)为跨径120 m带悬臂刚架的中承式钢管混凝土系杆拱桥.主拱由3根空间拱肋组合而成，中间主拱肋和两侧副拱肋线形均为抛物线，在拱脚处交汇在一起，形成上宽下窄的空间拱肋体系，钢管拱肋之间横向由斜撑和横撑联系.拱脚、梁、墩在交汇处为固结，并与悬臂半孔形成倒三角形刚架结构，是一个极其不规则的混凝土构造.主拱肋为直径1.5 m的钢管混凝土，位于竖向平面内;2个副拱肋为直径1.2 m的钢管，与主拱肋竖直平面夹角为22.05°.主梁通过13根竖吊杆和18根斜吊杆分别悬吊在主、副拱肋上，为钢-混凝土迭合梁结构.在主桥面的主梁内设体外水平系杆索.主桥的边跨(U04，U06联)为对称于中跨的带悬臂半孔加体外索自平衡无推力上承式连拱桥，单侧跨径组合为(35+3×50+25.2)m.分2幅上下行分离，桥面主梁内设体外水平系杆索.

主桥主跨、边跨立面布置如图1所示.

图1 主桥(U05，U06联)立面图

2 监测系统设计原则与系统总体构成

2.1 系统设计原则

瀛洲大桥在主跨拱脚区，钢管组合拱肋与砼梁及下部墩交汇连接，纵横梁、拱肋相互交错，且为材料不同的复合结构，受力复杂.为了保证运营期间大桥构件的正常工作，及时把握这种特殊结构桥梁的状态变化、发现病害，亟需建立有效的健康监测系统以评定其安全状况.

作为一座重要的市内交通桥梁，既有车辆通行又有行人通行，不可能像特大型桥梁那样对于大桥日常运营监测进行封闭式的管理.因此，在建立大桥结构运营监测系统时，应该针对异形拱桥的结构特性和城市桥梁的运营环境特点，遵循方便简洁、经济实用、性能可靠、科学合理的指导思想，采用先进的健康监测技术与传统的人工巡检方法相结合的管理维护策略，优化选择系统硬件设施.系统设计与实施应该遵照以下原则［5-6］:

①满足城市景观桥梁养护、运营管理和异形拱桥结构特殊设计验证的需要;

②选择易损构件、结构重点部位及日常养护检查困难的部位进行在线监测;

③根据异形拱桥结构状态预警与评估的信息需要选择监测内容与监测参数;

④系统具有很好的开放性、兼容性，具有定期监测、人工检测、评估报告和校正模型的接口;

⑤根据大桥运营环境特点和资金的投入，综合考虑长期监测和周期检测的项目比重.

2.2 系统总体构成

监测系统的建立将遵循长期监测、周期检测以及施工监测结合的思路.系统输入信息包括:桥梁设计参数、施工监测信息、日常检查及维护信息、结构模型及仿真分析信息、监测数据及其处理结果等.系统输出信息包括:桥梁工作状态、环境及荷载变化、结构安全性状态、设计验证、养护维修技术建议等评估分析技术报告.监测系统由6个子系统组成:① 在线监测系统;② 周期检测系统;③数据采集与传输系统;④ 数据处理与控制系统;⑤ 结构预警与健康状态评估系统;⑥施工监控数据管理系统.各子系统之间的关系如图2所示.

图2 结构健康监测系统构成

3 多尺度结构静动力特性分析

结构健康监测及安全评价系统的基本监测功能是通过传感器系统来实现的，合理布置传感器是保证结构监测质量的前提.目前关于桥梁监测的传感器优化布设研究大多基于动力特性参数，如模态动能法(MKE)、MAC矩阵法、有效独立法(EI法)等［7-12］.瀛洲大桥主桥主跨是典型的中承式异型钢管混凝土系杆拱桥，跨度并不大.具有第一传力体系清晰，但构造新颖复杂的特点，尤其是三角形刚架区受力复杂，整体结构动力特性参数难以表征局部结构响应行为.

桥梁监测传感器应该布设在应力集中点、结构支承点、对结构荷载重新分配影响较大的构件、动力响应的敏感点等关键部位.而在进行桥梁整体结构有限元分析时，通常用较粗的网格划分结构，不考虑局部细节构造.整体分析可以满足结构整体性态监测传感器优化布设的要求，却难以满足局部性态监测布设的要求以及复杂区域安全评估的要求.本文采用多尺度结构有限元方法对于大桥进行静动力特性分析，同时综合考虑大桥的运营环境特点、结构评估需求、优化布设理论等因素，进行系统传感器的布设.多尺度有限元分析主要步骤如图3所示.

1)建立全桥结构的整体有限元模型、倒三角形刚架和钢混叠合梁的精细子模型，定义2个子模型切割边界节点.整体模型中用较粗的网格划分，不考虑局部一些细节构造.

2)对整体模型进行结构静动力特性分析、交通荷载作用下的加载及求解.根据结构整体响应分析结果，确定整体性受力构件的易损性以及结构受力整体分析层次上的监测内容和监测构件.

3)将结构整体响应分析结果插值到子模型的切割边界节点，分析子模型的应力分布与结构变形响应，计算结构应变响应灵敏度.将应变值最大的位置和应变响应灵敏度大的位置作为监测点.

图3 多尺度有限元结构分析步骤

3.1 结构整体受力分析

瀛洲大桥在设计上将自锚式拱结构的受力特点与“月亮拱”建筑构思相结合.结构分为2个传力体系:第一传力体系由主墩及三角刚架区+拱肋+系杆体外索构成，是结构传力的主体框架，系杆是关键受力构件.第二传力体系由吊杆+钢混迭合箱梁构成，钢混迭合梁直接承担桥面荷载，通过吊杆传到拱肋.

边跨的结构形式为上承式自平衡的多跨连拱，也分为2个传力体系.第一传力体系由多跨连拱+腹拱肋+系杆体外索构成，是结构传力的主体框架，系杆是关键受力构件.第二传力体系由自由钢筋混凝土箱梁构成，箱梁纵向通过伸缩缝与第一传力体系分割，竖向支承在拱肋的立柱上，将桥面荷载传递到拱肋上.

3.2 主跨空间有限元模型与动力特性

采用通用软件ANSYS建立大桥主跨整体有限元模型.加劲梁、空间钢管拱肋、拱肋间支撑杆和拱座的拱肋采用空间梁单元BEAM44模拟;系杆、吊杆采用空间杆单元Link10模拟.拱肋与加劲梁都按照吊杆吊点位置离散.拱肋与拱座、拱肋与系杆和拱座底部采用完全固接的边界条件，加劲梁与拱座在横桥向的位移和顺桥向的转动采用主从约束.整个桥梁的空间有限元模型共有782个单元(见图4).

图4 多尺度有限元模型

结构动力特性分析结果表明，主跨结构振型复杂，主桥的竖向刚度和桥面的侧向刚度较强，而主拱的面外刚度相对较弱.横撑和斜撑的设置保证了主拱结构的整体稳定性并提高了抗扭刚度和竖向弯曲刚度.表1给出了主跨动力特性的前几阶自振频率和振型.

表1 主桥主跨动力特性分析

3.3 复杂受力区的精细建模与分析

为了更好地模拟三角区细部结构，对混凝土部分同时使用实体单元SOLID95和SOLID92混合建模，外包钢板使用壳单元SHELL93建模.三角区精细子模型共5 926个单元、钢混叠合梁子模型为3 782个单元.

三角区有限元分析结果与实体模型试验结果基本一致［13］，说明了多尺度有限元方法的有效性.分析表明:钢筋混凝土拱座是应力集中区，钢管拱肋和混凝土结合部是应力变化敏感区.靠近拱座顶部与副拱肋结合部位应力最大，其余位置应力比较均匀.相对于内填混凝土的主拱肋来说，空心钢管副拱肋的应力分布梯度较大，因此必须在副拱肋拱角区布置应力测点.整个三角区，混凝土副拱肋与墩台结合部位受力最为薄弱，此部位需要重点进行监测.

4 监测点布置

根据瀛洲大桥结构静动力特性、构件的重要性、易损性和景观桥梁的运营管理特点，重点对大桥第一传力体系构件(系杆)和复杂受力区进行长期监测，而对于位移、吊索索力、拱肋振动采用预埋传感器然后进行周期性检测.测点布置如图5所示.

图5 健康监测系统测点布置图

4.1 体外索系杆的内力监测

体外索系杆是瀛洲大桥结构体系的重要构件.监测系杆内力变化对于掌握大桥结构的整体受力状态、指导系杆的维护更换具有重要作用.瀛洲大桥主桥边跨(上、下幅)和主跨分为5个相对独立的结构体系，共30根系杆.边跨监测24根系杆中的12根，主跨6根系杆全部监测.为了保证系杆内力测量的准确性，在锚具端安装锚索直接监测索力.

4.2 主拱结构的监测

拱结构是大桥主跨上部结构的主要受力构件，监测运营环境下主拱结构的位移、内力分布、振动特性对大桥结构安全评估具有重要的意义.由于主跨钢管拱脚处于倒三角区域内，应该加强钢管拱脚应力的监测.边跨混凝土主拱应变监测点主要选择在拱脚.

位移检测应用施工监控过程中的位移控制点(棱镜和反光片)作为运营健康监测检测点，包括主跨拱圈四分点的水平位移、竖向位移和边跨连拱拱顶的竖向位移，检测周期为半年一次.

在主跨拱肋四分点截面各布置一个双向加速度传感器，监测主拱结构的水平和竖向振动，沿桥纵向布置数据传输线，用于静动载试验.试验结束后，保留数据线，用于周期性检测.

4.3 三角区的监测

考虑到大桥主跨拱脚三角区是不规则的混凝土构造，应力分布复杂，应该重点监测.根据上述三角区精细子模型的应力敏感性分析和模型试验结果，选择8个截面进行应变温度监测.采用施工监测过程中的振弦应变温度传感器，同时埋设分布式光纤光栅(FBG)传感器作为冗余布置，以保证复杂区应变测量的可靠性.光纤传感器系统为相对独立的系统，直接通过光缆远距离传输到数据管理系统.

4.4 吊杆内力和拱座位移周期检测

吊杆内力的检测从施工期开始进行，在施工张拉的同时采用振动法同步检测，用以标定和校正振动法吊杆内力计算模型.运营期间的内力检测采用振动法周期性逐根检测的方法.

关于桥墩沉降、主梁关键截面的位移、主梁伸缩缝位移、边跨主拱位移的检测，则利用施工监控过程中的位移检测点(棱镜和反光片)进行定期检测，检测周期为半年一次.

5 数据采集与传输系统

数据采集与传输系统由分布在大桥的数据采集外站和传输网络组成.瀛洲大桥健康监测系统有2个振弦应变温度传感器数据采集站，布置在主跨两端的三角区人行道分隔带.数据采集外站按照最短布线、同类信息通道集中及适当通道预留的原则进行布设.其主要任务是根据控制终端的要求，采集大桥的温度、静/动态响应等信号，实时传送到控制监视终端并以数据文件的形式存储.

FBG光纤传感器直接通过光缆传输系统将传感信息传输到设置在数据处理中心的光纤传感网络分析仪，并以波长的方式在计算机终端显示，记录存贮在线监测数据.

6 数据处理

数据处理与控制系统对于采集系统传输过来的数据进行预处理，把处理结果存储、传输给预警评估系统使用，并控制采集系统，包括对数据进行预处理、二次处理、后处理、数据存储、数据传输及数据显示等数据管理控制工作.

数据的预处理主要对位移、温度、应力、内力等监测数据进行统计分析，包括计算设定时段内的最大最小值、均值、方差、标准差等，计算结果作为初级预警的输入.数据二次处理包括频域分析显示、时域分析显示、Fourier分析等，以便判别结构监测数据的发展趋势及变化特征值，作为评估结构性能的依据.

7 结构状态预警与安全评估系统

大桥状态预警评估系统分为在线评估和离线评估两部分.在线评估主要对实时采集的监测数据进行基本的统计和趋势分析，如图6和图7所示.设立预警系统，给出结构的初步安全状态评估.离线评估主要对各种监测数据(包括日常管养信息、周期性结构检测等)进行综合分析.离线评估采用有限元分析、模态分析等方法进行.

图6 北三角区拱肋上游侧应力趋势图(2009-10-07)

图7 主跨上游侧系杆内力趋势图(2009-10-07)

预警评估系统运用的方法包括:养护管理评估法、趋势分析评估法、局部损伤评估法、累积损伤及剩余寿命评估法等.评估系统根据监测系统数据产生月度评估报告、突发事件评估报告和正常状态评估报告(年度报告)，对大桥的安全性、耐久性给出定性或定量的评判，为大桥的养护管理提供技术指导.

针对瀛洲大桥结构刚度大的特点，以结构第一传力体系静力参数为主、动力参数为辅建立了结构状态预警与安全评估系统.即以系杆内力、吊杆内力、结构位移与沉降、复杂区域与关键构件应力分布等参数构建预警与评估指标，建立不同层次需求的预警评估体系，为大桥的运营养护管理提供依据.瀛洲大桥健康监测预警与评估系统的构成与功能如图8所示.

图8 监测预警评估系统构成与功能

8 结语

以瀛洲大桥为对象，根据异形混凝土系杆拱桥的结构特点和养护管理的需求，提出了基于自动化在线监测系统与人工巡检系统相结合的综合监测策略.系统的设计与研究考虑了施工期监测系统与运营期监测系统、长期监测与日常养护检测的结合，硬件设备的选取与布设充分考虑了技术的先进性、耐久性、稳定性、实用性、经济性等方面的因素，保证了监测系统的可靠性.在结构监测、预警与安全评估方面，以结构第一传力体系静力参数为主、动力参数为辅建立了结构状态预警与安全评估系统.

近3年来，系统运行正常、数据稳定可靠，主要参数指标变化趋势符合桥梁运营规律，主要构件的状态等级均为优秀.监测系统对超重车夜间过桥、撞车振动等突发事件进行了有效的监测与预警，为大桥的养护、维修与管理提供了依据.

References)

［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.Miao Changqing，Li Aiqun，Han Xiaolin，et al.Monitor strategy for the structural health monitoring system of Runyang Bridge［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2005，35(5):780-785.(in Chinese)

［2］李爱群，缪长青，李兆霞，等.润扬长江大桥结构健康监测系统研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2003，33(5):19-23.Li Aiqun，Miao Changqing，Li Zhaoxia，et al.Health monitoring system for the Runyang Yangtse River Bridge［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2003，33(5):19-23.(in Chinese)

［3］李爱群，缪长青.桥梁结构健康监测［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］缪长青.洛阳瀛洲大桥主桥施工监控研究报告［R］.南京:东南大学土木工程学院，2008.

［5］李爱群，缪长青.洛阳瀛洲大桥主桥健康监测系统研究报告［R］.南京:东南大学土木工程学院，2009.

［6］缪长青，李爱群，吉林，等.大跨缆索桥梁健康监测与评估系统设计研究［J］.特种结构，2009，26(2):40-47.Miao Changqing，Li Aiqun，Ji Lin，et al.System design on health monitoring and estimation for long-span cable-supported bridges［J］.Special Structures，2009，26(2):40-47.(in Chinese)

［7］缪长青，韩惠婷，李爱群，等.江阴大桥原结构安全监测系统设计分析［J］.公路交通科技，2007(11):81-86.Miao Changqing，Han Huiting，Li Aiqun，et al.Analysis on the original SHM system of Jiangyin Bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007(11):81-86.(in Chinese)

［8］Wang B S，Liang X B，Ni Y Q，et al.Comparative study of damage indices in application to a long-span suspension bridge［C］//Proceedings of the International Conference on Advances in Structural Dynamics.Hong Kong，China，2000:1085-1092.

［9］欧进萍，周智，武湛君，等.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术［J］.土木工程学报，2004，37(1):45-49.Ou Jinping，Zhou Zhi，Wu Zhanjun，et al.Intelligent monitoring of Heilongjiang Hulan river bridge based on FBGS［J］.China Civil Engineering Journal，2004，37(1):45-49.(in Chinese)

［10］张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计［J］.同济大学学报:自然科学版，2001，29(1):65-69.Zhang Qiwei.Conception of long-span bridge health monitoring and monitoring system design［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2001，29(1):65-69.(in Chinese)

［11］李惠，周文松，欧进萍，等.大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究［J］.土木工程学报，2006，39(2):46-52.Li Hui，Zhou Wensong，Ou Jinping，et al.A study on system integration technique of intelligent monitoring systems for soundness of long-span bridges［J］.China Civil Engineering Journal，2006，39(2):46-52.(in Chinese)

［12］孙增寿，颜斐，范科举.异形中承式钢管混凝土拱桥动态特性分析［J］.公路交通科技，2008(7):22-24.Sun Zengshou，Yan Fei，Fan Keju.Study on dynamics property of half through concrete-filled steel tubular arch bridges［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008(7):22-24.(in Chinese)

［13］郑纲.洛阳瀛洲大桥主桥主跨拱脚模型试验报告［R］.武汉:中铁大桥局武汉桥梁研究院有限公司，2008.