基于健康监测系统的系杆拱桥安全评估

杨 勇， 胡帮义

(1. 广州大学 土木工程学院， 广州 510006； 2. 湖州职业技术学院 建筑工程学院， 浙江 湖州 313000)

·实验技术·

基于健康监测系统的系杆拱桥安全评估

杨 勇1， 胡帮义2

(1. 广州大学 土木工程学院， 广州 510006； 2. 湖州职业技术学院 建筑工程学院， 浙江 湖州 313000)

为了对钢管混凝土系杆拱桥进行有效的监测，确保其运营安全，以东莞市大汾北水道特大桥为工程背景，基于Midas Civil对该桥进行了有限元分析，介绍了该桥健康监测系统设计的指导思想、系统集成及总体框架流程、监测内容、监测点布设方案及各大子系统的功能和数据远程传输组网方案。最后，基于在线监测系统实测数据，对该桥运营状态进行了安全评估。结果表明：该桥总体受力和变形量值不大，均小于理论计算值，处于正常的范围；桥梁总体处于安全、可控的状态。

钢管混凝土； 系杆拱桥； 健康监测； 安全评估

0 引 言

拱桥是一种较有竞争力的桥型，具有跨越能力较大、外形美观、构造较简单、耐久性好、养护维修费用较低等众多优点[1]，在现代化的公路、铁路等交通线路中得到了广泛的使用[2-3]。系杆拱桥一般是由拱、系杆、吊杆和桥面系梁板等组成的组合结构体系，随着钢管混凝土的广泛应用，解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化的两大问题。自20世纪90年代以来，我国陆续修建了大量钢管混凝土拱桥。

20世纪80年代中后期，国外开始对桥梁安装各种规模的桥梁健康监测系统[4-5]。例如：美国佛罗里达州的 Sunshine Skyway Bridge 桥上安装了500多个传感器对桥梁进行监测[6]；英国在Foyle桥上布设传感器，监测桥梁运营期间主梁的振动、挠度等；丹麦的Great Belt East悬索桥、加拿大的Confederation Bridge桥，挪威的Skamsundet斜拉桥以及日本的明石海峡大桥等均建立了长期健康监测系统。国内对桥梁的监测和评估系统起步虽然较晚，但发展迅速，近十几年来，我国在众多大跨度桥梁上建立了健康监测系统。例如，香港的 Lantau Fixed Crossing大桥[7]、青马大桥；大陆的虎门大桥、江阴长江大桥[8]等，这些健康监测系统在验证结构设计、体现桥梁健康状况、保证桥梁运营安全方面起到了巨大的作用。

我国钢管混凝土拱桥的健康监测系统建设和相关技术研究相对斜拉桥和悬索桥等跨越能力较大的桥型来说相对滞后[9],众多学者也一直在致力于该桥型健康监测系统的研究。陈钒[10]研究了某钢管混凝土拱桥实时监测评估系统的构成和功能以及系统设计的关键问题，通过基于网络的桥梁实时监测报警软件(QLCBMWS v1.0)的开发，实现了钢管混凝土拱桥的损伤诊断和性能评估。翠玉萍等[11]研究了某拱桥健康监测系统的关键技术和远程诊断问题。谭永朝等[12]研究了钱江四桥的结构特点及其健康监测系统的系统设计方案，系统实现了多项监测功能。刘慧东[13]利用层次分析法建立了尼尔森体系钢管混凝土拱桥的安全评估模型，并研究了桥梁健康监测方案和系统组成。郑 淳等[14]也对广州市新光大桥长期健康监测系统进行了深入研究。

本文以东莞市大汾北水道特大桥为工程背景，介绍了下承式钢管混凝土系杆拱桥的健康监测系统的系统构成和子系统实现方法，基于健康监测系统实测数据对其进行了安全评估，为今后类似桥梁的健康监测提供参考。

1 工程概况

大汾北水道特大桥位于东莞市万江区大汾北水道三叉交汇口，是五环路市政工程的重要组成部分。主桥为单孔128 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥[15]，桥面按双向八车道加人行道设计，分完全独立对称的左、右两幅，每幅桥面宽24 m，由3.75 m人行道+0.5 m防撞栏+15.5 m行车道+0.5 m防撞栏+3.75 m过桥水管和检修道组成。设计荷载汽-超20、挂-120级，人群荷载3.5 kPa，抗震设计按Ⅶ度设防。桥梁概貌如图1所示。

每幅桥主拱圈拱轴线由拱脚直线段和曲线段组成，矢跨比为1/5，曲线段采用悬链线，拱轴系数为1.167。设两片间距18.3 m的拱肋，截面为双肢格构型，截面高3.5 m，宽1.05 m；在拱脚实腹段为双肢哑铃型。钢管和钢板均采用Q345C钢材，混凝土采用泵送C50微膨胀混凝土。两片拱肋间拱顶设一字形风撑1道，两侧对称设K形风撑6道。

图1 桥梁概貌图

全桥拱肋共设2×23对吊杆，吊点中心间距5 m。吊杆采用挤包双护层大节扭绞型成品索，其钢束由85×φ7镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成，钢丝标准强度1 670 MPa。每片拱肋下设12束12φj15.24钢绞线作为水平系杆，钢绞线标准强度1 860 MPa。桥面系由横梁、加劲纵梁和π型车行道板及桥面后浇层组成，两幅桥主墩墩身及承台设为两个分离式钢筋混凝土结构，每幅桥的承台间用系梁相连,两墩身与帽梁固接形成一门式刚架结构。主墩基础采用钻孔灌注桩，每墩8根，设计为嵌岩桩。

2 桥梁健康监测系统设计

2.1 桥梁有限元分析

2.1.1 计算模型

为了合理设计本桥健康监测系统，考虑两幅桥对称，采用Midas Civil有限元软件对单幅桥进行了空间有限元分析，共建立了1 075个节点、1 489个单元，建立单幅桥梁的有限元计算模型如图2所示

图2 单幅桥有限元计算模型

2.1.2 计算内容

由于有关该桥的相关设计、监控、试验检测及其他科研性的分析验算均已做过[15]，故本文分析计算主要针对大桥实际情况及其健康监测系统要求，主要考虑桥梁各主要承重结构关键截面在活载(汽-超20、挂-120，人群3.5 kPa)最不利状态下的峰值反应，计算结果为选择采集测试元件服务，以及为健康监测进行数据参考。

2.1.3 有限元计算结果

(1) 拱肋。选取了拱肋的拱脚、L/8截面、L/4截面、拱顶截面进行内力计算。结果表明：在活载(汽-超20+人群)最不利状态下，L/4截面、拱顶截面拱肋上弦杆最大应力分别为-16.1 MPa、-18.4 MPa； L/4截面、拱顶截面拱肋竖向最大变形分别为-21.6 mm、-17.3 mm。

(2) 桥面板。对桥面板计算选取了支点、L/2、L/4等主要截面。结果表明：在活载(汽-超20+人群)最不利状态下，L/4、L/2截面最大竖向变形分别为-34.8 mm、-30.2 mm。

(3) 吊杆。在活载(汽-超20+人群)最不利状态下，跨中截面位置的12#吊杆索力增量最大值为-0.231 MN，拱脚附近短1#吊杆索力增量最大值约为0.19 MN。

(4) 水平系杆。在恒载作用下，单根水平系杆拉力为0.19 MN；在活载(汽-超20+人群)最不利状态下，单根水平系杆拉力增量最大值约为9.2 kN。

(5) 横梁。对横梁计算选取了端部、L/2、L/4等主要截面。结果表明：在活载(汽-超20+人群)最不利状态下，跨中截面、L/4截面附近横梁应力增量分别为4.15 Pa、3.71 Pa。

(6) 动力特性分析结果。计算了该桥前5阶的频率和振形，如表1与图3、4所示。

表1 前5阶的自振频率和振形特点

(a) 三维图

(b) 平面图

2.2 系统设计的指导思想

(a) 三维图

(b) 平面图

本桥健康监测系统构建需考虑外部健康监测手段及大桥结构本身特点两大因素，外部监测手段大体可以分为传感器在线监测和人工巡检(包括人工目视巡检)；另外，本桥结构本身具有以下特点：恒载效应主导，活载效应较小，该桥已处于成桥状态，恒载反应已经发生，仅能对实际荷载的效应予以监测。因此，该桥的自动化监测对元器件的精度、参数及选型提出了更高的要求。

总体指导思想是：基于结构的危险划分为结构损伤和结构状态的不利性改变两大类，结构状态的不利性改变主要通过自动化传感测试系统进行监测；而结构的局部损伤和小量值结构状态不利性改变(元器件精度达不到的前提下)则主要通过人工巡检及监测系统实现，上述两部分相辅相成、互为补充。基于此建立本桥健康监测系统主要包括[16]：自动化传感测试子系统、人工巡检监测子系统和损伤识别及综合安全评估子系统三大部分。基于危险性分析和不同应对策略的监测系统建立的总体思路如图5所示。

图5 监测及安全监控预警系统总体思路

2.3 系统集成及总体框架流程

大汾北水道特大桥造型独特，结构复杂，针对大桥的受力特点，确定监测项目和监测位置，并根据目前技术水平及经济条件提出针对不同危险情况采用不同的监测手段。本系统主要由以下子系统组成。

(1) 监测子系统。包括自动化传感测试子系统和人工巡检监测子系统[17]。自动化传感测试子系统通过传感器将各类监测信号转换为电(光)信号并进行自动采集和远程传输，人工巡检子系统采用人工监测的方式。

(2) 数据采集与传输子系统。在现场采集各类监测信号，将监测信号转换为数字信号，现场采集的数据进行筛选、挖掘，提取与桥梁结构密切相关的数据信息，再进行远程传输，这需要数据采集与传输子系统来完成。

(3) 数据分析、评估与预警子系统。数据处理与分析子系统将采集系统收集到的数据进行预处理后提交给后续子系统使用，结构健康评估子系统主要对获取的各类信息进行相应的信息处理，其子系统包括：结构状态与损伤识别模块、结构健康评估模块，分别完成基于静、动力测试数据的内力状态及损伤识别和基于监测信息以及巡检信息对结构进行健康状态的评估并对危险状态进行预警。

系统构成及总体框架流程如图6所示。

图6 系统构成及总体框架流程相关关系图

2.4 系统监测内容

本系统主要监测桥梁所在地环境、结构几何状态、结构响应与损伤、动态特性与振动响应、交通荷载源等几个方面的内容。

2.5 自动化监测测点布置方案

本系统在该桥共布置测点65个[18]，传感器共计102个。以左幅桥为例，具体测点布置如图7所示。

图7 自动化监测测点布置方案(以左幅桥为例，mm)

2.6 人工巡检子系统总体方案

人工巡检监测主要针对该桥养护管理人员可以到达的主要控制构件的内、外表面，目的是尽早检测到发生于结构上的局部表观损伤并适时加以维修，避免突发恶劣事故发生，同时弥补自动化监测系统的不足，该桥人工巡检监测的内容主要包括：① 桥面系、拱肋、吊杆、系杆、墩台基础、支座及伸缩缝等构件损伤状况；② 对拱肋变形、桥面变形进行监测，生成定期监测报告；③ 将检查记录、现场照片以及监测数据等输入“数据分析和处理系统”；④ 自动监测与人工巡检数据结合，对桥梁结构状况进行综合评估。

2.7 长期观测基准网布设方案

在河流两岸各布置1个基准点和1个工作基点，大桥4个拱座处各布置1个工作基点，共8个测点，构成平面基准网由构成紧密稳定多个多边形结构，如图8所示。基点是以由两根桩径为50 cm的混凝土桩为基础的钢筋混凝土墩柱为观测台，观测台顶部埋入铜质归心装置。变形观测点采用专制标心。

2.8 数据远程传输组网方案

桥梁健康监测系统通过通信网络系统进行数据的远程传输，数据传输协议采用以太网协议和TCP/IP协议。桥梁健康监测系统将分布在桥梁上各个点的传感器信号按不同的要求频率进行采集，送往相应的数据采集点。各采集点计算机和采集工作站计算机通过工业以太网联成一个计算机网络，数据通过安全性能较高的VPN网络通道传输。组网方案网络拓扑图如图9所示。

图8 长期观测基准网布设示意图

图9 桥梁健康监控平台网络拓扑图

2.9 综合安全评估系统总体方案

结构运营监测和综合管理系统中的综合评估系统应根据监测数据、识别数据及损伤直接检测的数据进行综合的评估。评估结果应明确、直观，面向多级桥梁管理人员，并明确给出桥梁的运营状况及维修建议。综合评估采用自动评估及专家评估相结合的方式，自动评估由计算机完成，专家评估由专家定期以现场专家会或远程的方式进行[19]。系统功能如图10所示。

3 初步监测结果及评价

3.1 索力监测

表1结果表明：系杆所受最大拉力为3.88 kN，总体变化不大，处于正常范围内。

图10 结构安全综合评估子系统功能模块

表1 系杆索力监测结果 kN

表2结果表明：短吊杆伸长，最大位移量7.61 mm，总体变化不大，处于正常范围内。

表2 短吊杆伸缩量监测结果 mm

3.2 变形监测

结果表明：桥面梁体向北纵向最大位移量8.59 mm，向南最大位移量9.13 mm，总体变化不大，处于正常范围内。拱桥桥面线形呈上挠趋势，上挠最大处为右幅靠近快车道的跨中测点，上挠量为14.6 mm，稍微有所上挠，但处于正常的范围。

3.3 结构应力监测

拱肋处于受压状态，最大应力为928 kPa；横梁处于受拉状态，最大应力为2.31 MPa，总体均变化不大，均处于正常范围内。

4 结 语

大汾北水道特大桥作为钢管混凝土系杆拱桥的典型代表，桥型结构复杂，影响结构受力、使用、安全及耐久性的因素众多，而该桥交通地理位置特殊而重要。本文以该桥为工程背景，介绍了该桥结构健康监测系统的设计思想、监测内容、系统构成及各大子系统的实现方案，达到了对该桥高效、实时、自动化、系统全面监测。

监测结果表明：该桥在本阶段运营过程中，相对初始测量状态，桥梁的总体受力和变形量值不大，均小于理论计算值，处于正常的范围。而拱肋和桥面线形呈上挠趋势，初步判定主要是由于温度变化及测量误差等因素综合所致，桥梁总体处于安全、可控的状态。

本桥建立的健康监测系统，运行高效，状态良好，方便了各项数据的采集工作，提高了管理自动化和信息化水平，为实际桥梁的今后健康监测提供依据，可为同类桥梁的在线监测提供技术方案参考。

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·名人名言·

我们应该不虚度一生，应该能够说，“我已经做了我能做的事”。

——居里夫人

Security Evaluation of Tied Arch Bridge Based on Health Monitoring System

YANGYong1，HUBangyi2

(1. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. Institute of Architectural Engineering, Huzhou Vocational & Technology College, Huzhou 313000, Zhejiang, China)

In order to monitor the concrete-filled steel tube tied arch bridge effectively, and to ensure operational safety, in the engineering background of Dafenbei Shuidao Super Large Bridge in Dongguan, the finite element analysis for this bridge was completed based on Midas Civil at first. This paper introduced the design guiding principle, system integration, framework flow, monitoring content and survey point distribution, the function of each subsystems, data remote transmission and networking technology of the bridge health monitoring system. At last, the running safety status of this bridge was evaluated based on the data measured by the on-line monitoring system. The results show that the total stress and deformation are not large, the values are less than the theoretical calculating values and all the numbers fall within normal ranges. The bridge is in a safe, controllable operating state totally.

concrete-filled steel tube; tied arch bridge; health monitoring; security evaluation

2016-05-04

国家自然科学基金资助项目(51278134，51278137，51308137)

杨 勇( 1978-) ，男，湖北孝感人，讲师，从事桥梁结构分析、监测及加固方面的研究。

Tel.:13824441803； E-mail: 462311570@qq.com

U 448.22

A

1006-7167(2017)02-0005-05