深圳爱国路高架桥应急健康监测系统构建

2019-09-06林航

福建建筑 2019年8期

林航

(福建省智能养护工程有限公司福建福州 350000)

0 引言

桥梁是人、车畅行的通道，只有桥梁的健康，方有人、车的安全保障。但桥梁在使用一个时段，由于受到建成年份、车辆荷载、材料老化、疲劳效应和环境等多因素影响，往往会出现不同程度的“亚健康”状态。因此，采用科学的监测和评估手段，保障桥梁结构的可靠性、安全性和耐久性极其重要[1～3]。

对于桥梁健康监测及相关系统的开发，不少专家、学者都有相关方面的研究。万宏鹏[4]通过对光纤光栅传感器的分布式布设及监测系统的集成，设计并建立了安龙泉互通立交桥的实时监测系统，首次实现了在东北严寒季冻地区对市政桥梁的远程实时监测。曲俊峰[5]通过建立有限元模型并结合实际桥梁荷载试验数据，深入分析得到能够反映结构工作状态同时在健康监测过程中易于稳定测量参数的阈值。张启伟、郎惠芳、李惠，等[6-8]从桥梁工程发展的角度，探讨大型桥梁健康监测系统设计中各个子系统的功能、特点、实现方法，以及各子系统的协同作用。孙涛，等[9]通过将BIM与传统健康监测技术结合，实现了监测系统三维模型可视化；通过部署于云计算中心的虚拟服务器和系统自诊断技术，实现了海量监测数据的智能分析和预处理。岳青，等[10]根据东海大桥的实际情况，构建了基于健康监测系统的桥梁结构养护管理体系，提出了预测式、评估式大桥养护管理策略。周建庭[11]以实际桥梁为依托，建立基于可靠度理论的桥梁远程监测评价体系。研究结果表明：利用工程结构可靠度理论来评价桥梁安全状况是可行的。杨小超[12]分别对于竣工验收的桥梁状态评估方法和长期服役过程中的桥梁健康状态评估方法进行研究。

本文以深圳爱国路高架桥为工程背景，针对性地建立“应急桥梁健康监测系统”。基于这套系统，对深圳爱国路高架桥的细微状况进行监测，通过数据采集分析，即时掌握桥梁的运行状况，为桥梁管理部门准确科学地管养该桥提供参考。

1 工程概况

爱国路高架桥，位于深圳市罗湖区，西北起爱国路与布心路位置，东南至沿河北路与黄贝路交汇路段，全长约1.5km。高架桥分东、西两幅桥，东幅桥由14联桥组成，西幅桥由16联桥组成。高架桥上部结构采用预应力连续箱梁，梁高2.0m。桥面宽14.74m，为双向六车道。该桥是深圳市交通量最繁忙的高架桥之一，如图1所示。

图1 深圳爱国路高架桥

爱国路高架桥受建成年份、车辆荷载、材料老化、疲劳效应和环境等多因素影响，桥梁管养部门和检测单位对该大桥进行了多次检查、特殊检测和加固维修处理，但该桥的技术状况仍不理想。

2011年检测单位发现，桥梁多处出现东西两幅相对竖向错位现象，竖向高差约为6cm～9cm。2012年11月，3#桥处中央分隔带盖板跌落；经检测，爱国路高架桥第2#、3#、4#桥均有不同程度的向曲线外侧爬移的现象，其中东幅3#桥爬移最为严重，最大值位移10.0cm；同时，还发现东西两幅2#、3#、4#桥的预应力混凝土箱梁腹板、底板，均存在不同程度的开裂现象。2013年6月，东西两幅3#桥处中央分隔带盖板再次跌落，再次检测发现东幅3#桥有继续向外侧爬移的趋势。

鉴于爱国路高架桥的预应力混凝土箱梁移位、开裂，以及这些病害对桥梁结构正常受力的影响，亟需建立一套高效实用的“应急桥梁健康监测系统”，对桥梁结构的静动力响应进行应急监测。

2 健康监测系统的构成

桥梁结构健康监测系统，包括传感器系统、数据采集与传输系统、数据管理系统、桥梁分析与预警系统等主要功能模块。数据采集与传输系统和数据管理系统，通过视频、图像及多种表面接触式传感器，实时采集桥梁运营状态下的各种数据和信号，储存在数据库中，并通过服务器将采集的数据和信号传回监控中心。桥梁分析与预警系统，通过三维数字仿真，反演桥梁的工作状态和健康状况，对可能存在的结构损伤部位及其损伤程度进行智能识别，并在此基础上进行桥梁的安全可靠性评估。

通过运用最新的BIM技术、现代地理信息技术、现代测试与传感技术、网络通信技术、信号处理和分析技术、桥梁空间和结构分析理论、机器学习与模式识别理论等多个学科领域的技术，实现“数据高精度、传输高速度、工作高效率”的特点。系统逻辑拓扑图如图2所示，系统主页面如图3所示。

首先巡回护士需由严格培训过的护师以上人员担任，术前1d到病房认真阅读患者的病历，同时与手术医生和责任护士沟通，间接了解患者的性格特点及心理需求。根据不同患者心理特点，制定个性化的心理护理方案。对于一些文化程度高的多用医学术语、治疗性沟通语言。对文化程度低者多用浅显易懂的语言，告知其心理调节的重要性。鼓励患者家属多与患者交谈，给患者以精神上的支持，减轻患者孤独、紧张、焦虑和抑郁等负面的心理，使其树立信心[10]。

图2 系统逻辑拓扑图

图3 桥梁健康监测与预警系统主页面

3 监测内容和测点布置

3.1 监测内容

爱国路立交桥健康监测，是针对检测过程中发现的问题进行“有的放矢”的应急健康监测，其监测的主要内容包括：

(1)主梁位移监测：主梁的空间位移，尤其是往曲线外侧的横桥向位移；

(2)应变监测：主梁和桥墩控制截面的应变；

(3)裂缝宽度监测：预应力混凝土箱梁腹板、底板的裂缝宽度；

(4)桥墩沉降监测。

3.2 主梁位移测点布置

参考桥梁检测过程中发现的桥墩和主梁病害，考虑到实际病害“爱国路高架桥第2#、3#、4#桥均有不同程度的向曲线外侧爬移的现象，其中东幅3#桥爬移最为严重”，全桥共布置11个主梁位移测截面，共计21个监测点。测点布置在连续梁首末端的桥墩支座附近，主梁位移测点布置如图4所示。

图4 主梁位移测点布置示意图

3.3 主梁应变测点布置

鉴于爱国路高架桥为预应力混凝土连续梁桥，主梁应变监测的重点在于主梁的跨中截面和墩顶截面。针对主梁整体的应力(应变)情况进行监测，对主梁的整体受力进行分析，确定是否存在应变超限的情况、或受力情况与以往监测结果出现突变的状况。

参考桥梁检测过程中发现的主梁病害，考虑到实际病害“除爱国路延长段外，各桥跨腹板均存在竖向开裂现象，底板存在横向开裂现象”，根据桥梁具体病害情况(如墩顶截面病害较轻)，全桥共布置15个主梁应变监测截面，每个截面选取主梁跨中位置，每个截面布置2个测点。测点布置在主梁跨中截面底板位置，共计30个测点，主梁应变测点布置如图5～图6所示。