城市高架桥健康监测方案设计

苏家仲，贾志绚，黄小芳

（太原科技大学交通与物流学院，太原030024）



城市高架桥健康监测方案设计

苏家仲，贾志绚，黄小芳

（太原科技大学交通与物流学院，太原030024）

摘 要：高架桥作为解决交通拥堵的一个方法在城市道路桥梁建设中应用越来越多，其安全性已经引起人们重视。而国内专门针对城市高架桥的健康监测研究还比较少，通过本方案以达到对城市高架桥健康监测的作用。结合工程项目对高架桥结构进行健康监测方案设计，首先对健康监测系统的总体构架进行了设计，具体分析了高架桥结构特点及传感器布设要求，对高架桥不同结构进行传感器布设，最后指出高架桥结构健康监测需要考虑的一些问题，对城市高架桥健康监测做了初步探讨。

关键词：高架桥；健康监测；总体设计；传感器布设

桥梁作为重要的交通基础设施，其安全性已经引起人们的重视。桥梁在设计和施工中存在的一些不足，及其运营管理不当、水文地质因素和自然灾害等，是桥梁事故的主要原因［1］。桥梁健康监测系统已经成为国内外学术界及工程界的研究热点，桥梁健康监测技术也得到了快速的发展［2］。自20世纪80年代中后期以来，国外已有日本的明石海峡大桥、南备赞濑户桥、丹麦的大贝尔特桥等建立了较为完备的健康监测系统［3］。我国从上世纪九十年代以来，陆续在许多桥梁上安装了桥梁健康监测系统，如中国香港青马大桥、江苏江阴大桥［4-5］。纵观国内外的桥梁健康监测系统研究，其大多数都是针对悬索桥、斜拉桥等大型的跨海桥梁。我国城市化的快速发展，高架桥作为解决交通拥堵、实现城市快速交通的一个有效方法，越来越多的出现在人们的视野中。面对大规模的城市高架桥梁，其安全性如何得到保证是一个重要的议题，所以对城市高架桥进行健康监测是必要的。而国内专门针对城市高架桥的健康监测研究还比较少。因此，对城市高架桥开展健康监测研究具有重要的现实意义。

1 工程概况

太原市西中环北段工程范围内的桥梁工程为西中环-兴华街立交、西中环北段高架、西中环-南内环西街立交。主要跨越路口有兴华街、漪汾街、西矿街、迎泽西大街、西花苑街及南内环西街。跨越的铁路为太重支线及西山铁路支线。主要桥梁工程汇总如表1所示。

以上桥梁均采用标准桥宽23.5 m，设计速度60 km/ h，桥梁设计基准期：100年。上部结构：高架桥主线段采用预应力连续箱梁结构标准梁；下部结构：高架桥主线采用带横梁双立柱桥墩立柱形式，立柱矩形断面带圆角，主线标准段基础采用6Φ1.5 m钻孔灌注桩，钢筋混凝土承台。桥台为钢筋混凝土桥台，采用6Φ1.2 m钻孔灌注桩。

结合项目的实际情况，为了保证高架桥梁在施工及运营过程中的安全，实时掌握高架桥梁的受力情况及周边环境对其产生的影响，故选取有代表性的高架桥联跨对其进行健康监测方案设计。

2 健康监测系统设计总体设计

根据监测系统实际功能要求，将全系统分为六大子系统。各子系统设计要求：

（1）传感器子系统。在需要监测的结构布设特定类型及定量的传感器，通过传感技术获取应力、应变、位移、温湿度等反映桥梁健康状态的实时监测数据。

（2）数据采集与传输子系统。该部分主要功能是采集传感器输出的数据，同时把采集到的数据传输到监测中心，并把数据存储起来。硬件部分比较重要的有传输电缆、数据转换卡、数据采集器等。软件部分主要是将采集到的数字信号以特定的方式存储在计算机中。

（3）数据处理与分析子系统。该部分包括对数字信号进行分析及处理，其功能主要是从传感器接收到到的海量数据中获取有用的数据从而为桥梁的结构健康评估提供依据。该过程一般制定有相应软件程序，在进行数据采集时同步完成。

（4）结构状态评估子系统。该部分主要有两部分功能：损伤识别和状态评估。此子系统根据实时在线监测获得的数据信息，按照计算机程序设定的各监测数据的限值，能够快速、科学准确、客观真实地根据当前和历史数据对桥梁健康进行综合性评估，并自动输出桥梁状态报告，为桥梁结构的运营、养护及管理提供可信的决策依据。

（5）数据库管理子系统［6］。该子系统的主要功能是对各种分析处理后的数据建立专门的数据库进行存储和管理。其中数据库系统包括桥梁结构信息数据库（桥梁设计资料、施工资料、试验资料等）、静动力响应数据库、损伤识别数据库、养护维修数据库等。桥梁管理者可以随时通过实时的监控数据对桥梁的健康状况作出判断，以保证桥梁24 h的运营安全。同时通过数据联网共享，桥梁管理者可以与相关主管部门随时对桥梁的运营安全状况提出有益的养护决策。

表1 太原市西中环主要桥梁工程汇总表Tab.1 Summary of main bridge engineering in Taiyuan West Central

（6）用户界面子系统。该子系统为健康监测系统与人产生最直接联系的部分，通过人机交互界面，系统将实时接收到的数据提供给桥梁养护及管理人员。同时该子系统的操作管理这并不需要特别专业的知识，就可以使用该系统进行任意时间段监测数据的调阅，对监测预警数值进行调整及输出桥梁健康状况的分析报告等。

3 高架桥结构特点及传感器布设

3.1 高架桥结构特点

（1）简支箱梁受力简单，荷载作用在定量的截面面积下会产生较大的抗弯惯距和抗扭刚度，在偏心荷载作用下，各部分梁肋的受力相对较均匀。

（2）连续梁桥按截面形式可分为等高度连续梁与变高度连续梁。在荷载作用下，变高度连续梁中支点截面处会产生相对较大负弯矩，同时在跨中截面出现相对较小的正弯矩。中间支点截面位置处产生的负弯矩则远大于跨中弯矩绝对值，根据结构的内力分布规律，故选取变高度梁比较适合。对于预应力混凝土连续梁，其受力主要有以下一些特点：墩高的逐渐增加，连续刚构的墩顶及跨中梁部弯矩值逐渐接近于连续梁，墩的轴向力及墩底弯矩值随着墩高的增加，而两墩之间的梁部受到的轴向力同样随着墩高的增加而呈现快速下降的趋势［7］。

（3）连续刚构桥的受力特点与连续梁相仿，薄壁墩底承受的弯矩和梁内轴力会呈现墩高的逐渐增加而快速下降的趋势。对于跨径较大、墩高较小连续刚构桥，桥梁在外界温度影响，混凝土徐变等因素影响下将在墩顶会有相对较大水平位移［8］。

3.2 传感器布设要求

在对高架桥进行受力特点分析后，结合对桥梁结构受力特点、桥梁各部结构重要性以及传感器布设有效性、经济性等多个方面的因素研究分析，展开对高架桥进行传感器布设。

在偏心荷载作用下，简支梁各部分梁肋的受力相对较均匀，对其传感器优化布设方案为均匀布设，具体布设位置多数应为桥梁结构应力及位移振幅峰值点。

结合连续梁桥受力特点，对其传感器优化布设方案同样为为均匀布设，具体布设位置多数应为桥梁结构应力及位移振幅峰值点。

4 健康监测系统方案设计的主要内容

4.1 确定监测对象

由于本工程段跨线较多，设计中采用了多种梁体，故根据实际情况兼顾经济性，选取有代表性的部分高架桥进行健康监测。具体选取对象如下：变高度预应力混凝土连续梁（35 +50 +35 m）1联、等高度预应力混凝土连续梁（3×30 m）3联、预制简支小箱梁（30 m、40 m）2联、钢筋混凝土连续梁（20 +21 +21 m）1联、墩柱10个、钻孔灌注桩2根。以上所选取监测对象基本覆盖了本工程不同类型的梁。

4.2 确定监测项目

（1）几何监测。主要是监测高架桥结构重要部位在静态情况下的位移及位置。

（2）环境监测（温湿度）。主要是监测桥梁结构周边的环境变化，为后面进一步对高架桥结构的耐久性评估积累可靠及足量的数据。

（3）结构静、动力反应监测。主要是监测高架桥结构在各种荷载作用下的力学性能，为高架桥结构可靠性评估提供数据。

4.3 传感器测点布设

各个结构的测点，需要结合监测的目的及兼顾实际情况确定，故选取具有代表性的断面进行测点布设。

根据高架桥不同的结构形式及其需要监测的项目，确定具有代表性的断面测点布设如下：

（1）等高度预应力混凝土连续梁

应力测点：测试断面（主墩墩顶、中跨跨中及边跨跨中各1个），测点数量：各测试断面布设10个横向应力测点及12个纵向应力测点。

变形测点：测试截面（连续2跨中跨跨中、边跨跨中各1个），测点数量：每个截面在桥面左侧布设1个变形测点，在桥面右侧布设一个变形测点。

温湿度测点：测试断面（中跨跨中），测点数量：左右侧对称各布置9个温湿度测点，如图1所示。

图1 预应力混凝土连续梁测点布设Fig.1 Measuring point location of continuous beam with prestressed concrete

（2）变高度预应力混凝土连续梁

应力测点：测试断面（主墩墩顶、中跨跨中及边跨跨中各布设1个），测点数量：各测试断面布设10个横向应力测点和12个纵向应力测点。

变形测点：测试截面（主跨跨中），测点数量：每个截面在桥面左侧布设1个变形测点，在桥面右侧布设一个变形测点。

温湿度测点：测试断面（中跨跨中），测点数量：左右侧对称各布置9个温湿度测点，如图1所示。

（3）预制简支小箱梁

应力测点：测试断面（中跨跨中及中跨墩顶各布设1个），测点数量：每个断面对称布置共布置14个横向应力测点和16个纵向应力测点。

变形测点：测试截面（连续2跨中跨跨中和边跨跨中各布设1个），测点数量：每个截面在桥面左侧布设1个变形测点，在桥面右侧布设一个变形测点。

温湿度测点：测试断面（中跨跨中），测点数量：左右侧对称各布置8个温湿度测点，如图2所示。

图2 预制简支小箱梁测点布设Fig.2 Measuring point location of small-box girder with prefabricated simple supporting

（4）钢筋混凝土连续梁

应力测点：测试截面（边跨的跨中、中墩顶各布设1个），测点数量：每个截面各对称布设共10个纵向应力测点。

变形测点：观测截面（边跨的跨中中墩顶各布设1个），测点数量：每个截面在桥面左侧布设1个变形测点，在桥面右侧布设一个变形测点。

温湿度测点：测试断面（跨中1个），测点数量：总布设10个温湿度测点。

（5）墩柱

应力测点：测试截面（桥墩的底部、中部各1个），测点数量：墩柱最底部布设6个测点，墩柱中部布设4个测点，如图3所示。

（6）钻孔灌注桩

选取主线6根标准钻孔灌注桩，在不同深度的桩身布设钢筋计，同时在桩底布设压力盒对桩身实施长期监测，根据桩体在不同土层的受力情况不同，在不同土层分层位置对应的桩体截面位置对称布置振弦式钢筋计2个，光纤式钢筋计2个，在桩最低位置对称布置钢弦式压力盒4个。

图3 墩柱测点布设Fig.3 Measuring point location of pier column

图4 钻孔灌注桩测点布设Fig.4 Measuring point location of bored pile

5 结论

结合高架桥梁的特点及具体结构形式，介绍了高架桥梁健康监测传感器的布设要求、监测项目内容、组成和功能，针对太原市西中环高架桥梁给出了健康监测的总体设计及各结构的传感器布设科学方案，具体对变高度预应力混凝土连续梁、等高度预应力混凝土连续梁、预制简支小箱梁、钢筋混凝土连续梁、墩柱、钻孔灌注桩进行了传感器布设，对城市高架桥梁的健康监测传感器布设方案做了初步的探讨，对城市高架桥梁健康监测传感器布设具有一定的参考作用。

高架桥梁健康监测方案的设计与实施需要兼顾经济性、实用性、施工管理等多方面需求，需要结合特定的桥梁进行多方面的分析与论证才能确保健康监测方案的高效实施。

参考文献：

［1］ 徐洪涛，郭国忠.我国近年来事故发生的原因与教训［J］.中国中国安全科学学报，2007，17（11）：90-95.

［2］ 黄方林，王学敏.大型桥梁健康监测研究进展［J］.中国铁道科学，2005，26（2）：1-7.

［3］ 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，2001，29（1）：65-69.

［4］ 张敏，杨志芳.东海大桥桥梁结构健康监测系统研究与设计［J］.桥梁建设，2006（2）：67-70.

［5］ 马宏伟，聂振华.桥梁安全监测最新研究进展与思考［J］.力学与实践，2015，37（2）：161-170.

［6］ 陈国刚.二七长江大桥健康监测系统研究［J］.中外公路，2014，2（34）：170-174.

［7］ 姚玲森.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］ 帅宗义.高速铁路桥梁健康监测系统中传感器优化布置的研究［D］.成都：西南交通大学，2011：13-20.

Scheme Design of Health Monitoring for City Viaduct

SU Jia-zhong，JIA Zhi-xuan，HUANG Xiao-fang
（College of Transportation and Logistics，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：The viaduct as a way to solve traffic congestion is more and more applied in urban road and bridge construction，its security has attracted people′s attention.And the domestic research on the urban viaduct health monitoring is still relatively small，this project aims to achieve the role of urban viaduct health monitoring.Combined with engineering project for health monitoring program design of the viaduct structure.Firstly，the overall framework of health monitoring system was designed，the characteristics of viaduct structure and the requirements of sensor layout were elaborated，and the sensor layout of different structures of the viaduct was accomplished，concluded that the problem of some shortcomings exist viaduct and to be considered.At last，some problems that need to be considered in structural health monitoring of viaduct structure are pointed out，and preliminary discussion on health monitoring of urban viaduct was done.

Key words：viaduct，health monitoring，overall design，sensor layout

中图分类号：U446.2

文献标志码：A

doi：10.3969/ j.issn.1673 -2057.2016.03.013

文章编号：1673 -2057（2016）03 -0229 -05

收稿日期：2015-07-13

作者简介：苏家仲（1989 -），男，硕士研究生，主要研究方向为桥梁健康监测。