某钢拱塔斜拉桥信息化监测方案研究

黄 桦

福州市城乡建总集团有限公司，福建 福州 350000

1 前言

某钢拱塔斜拉桥长453.0m，主桥采用钢拱塔斜拉桥结构形式，跨径布置为50+60+110+110+60+50m。全桥桥面连续，在两侧桥台设置伸缩缝。主梁为预应力钢筋混凝土连续箱梁，钢拱塔采用钢混结合过度的方式与混凝土拱座相连并固结与拱座。在对该桥梁进行了外观检查，发现该桥梁伸缩缝局部卡死、箱梁顶板底面和腹板存在大量裂缝、支座组件锈蚀、支座往东偏位等问题。为全面掌握该桥当前的受力状态及现有病害的发展情况，以防止结构出现不可控、不可逆的严重损伤，需要在该桥上安装一套健康监测系统并进行长期不间断观测［1-2］。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

2 监测系统组成

结构安全监测设备中，动态应变计、温度计、振动传感器和倾角计经信号线连接到控制器之后与动态称重传感器采集到的压电信号和监控摄像头均通过通过线缆传输到机箱网络再将数据实时上传到云服务器，后续数据的储存、管理、处理及分析等工作均在云平台上完成。

3 有限元计算与测点布设

该桥主跨为钢拱塔斜拉桥，结构受力复杂，监测的设置正确与否直接关系到采样数据的有效性与系统的经济性。因此在进行测点布设前需要对结构受力进行详细的分析，兼顾该桥既有病害的同时选择受力较不利截面和变形较大截面作为本次监测的重点关注截面，内力计算结果详见图2,测点布设详见图3。

4 结构响应监测

4.1 混凝土/钢结构应变传感器

图2 设计荷载作用下的主梁弯矩包络图

图3 监测截面布置示意图（单位：m）

混凝土主梁、钢拱塔应变监测采用振弦式表面应变计，用于监测混凝土结构或钢结构局部受力情况，收集桥梁结构在汽车及温度荷载作用下的内力变化情况，总结正常使用情况下内力变化幅值积累健康监测数据。振弦应变计的原理是通过测试钢线弦的振动的频率来换算钢弦及被测结构物的微小位移；钢弦的振动频率与钢弦松紧程度成正比，应变计测试时固定在被测物体表面，被测结构物内力改变时产生的微小变形带动应变计内的钢弦产生松紧变化，进而影响钢弦的振动频率。弦式应变计具有稳定性能好，抗干扰能力强，精度高特点。应变计布置位置见图4。

图4 截面应变测点布置图（单位：cm）

4.2 振动传感器

主梁及钢拱塔振动监测采用振动传感器（加速度传感器），通过监测主梁的振动幅值及振动频率的变化来评价桥梁动力性能。

4.3 倾角传感器

桥墩及拱塔变位监测采用高精度倾角传感器，输出采用标准工业电器接口4～20mA。产品采用最新的MEMS 高工艺，内部采用高分辨率差分数模转换器。钢拱塔是斜拉桥的主要受力部件，拉索将桥面的竖向荷载传递给钢拱塔再集中传递给基础，塔有巨大的竖向承载能力，但抵抗水平荷载能力较弱，因此需要保证其处于稳定的竖向状态。钢拱塔倾角测点布置见图5。

图5 钢拱塔倾角测点布置图（单位：m）

图6 索力传感器布置示意图

4.4 索力计

斜拉索的索力监测可选择压阻式加速度传感器。压阻式加速度传感器具有直流响应、分辨率高、响应速度快、可靠性好、体积小、质量轻、噪声小等特点。考虑到传感器必须垂直于索安装，索力传感器安装时需采用定制的安装夹具。索力采用振动频率法测量，加速度传感器将索的随机振动信号转变成电信号，电信号经放大后送至动态信号采集系统进行记录斜拉索的振动基频并储存，通过结构分析计算机程序换算斜拉索的拉力。索力传感器布置示意图见图6。

5 信息化监测系统

5.1 数据云传输

现场所有的传感器通过数据线将信号汇总到数据采集存储控制终端，现场的数据采集终端具备数据存储及上传功能，采集终端根据预先设定好的采样频率进行数据采样并实时上传到云平台数据库。

5.2 数据分析处理平台

数据分析处理平台将现场采集到数据进行分析处理，包括所有的结构响应监测，如几何变位、震动响应（含位移、速度、加速度）、构件应变（力）等；环境荷载监测，如交通荷载、风荷载、温度荷载、地震及船舶撞击荷载等；重点病害监测，根据不同桥梁特点，对一些管理部门关心的桥梁重点病害进行监测。对各个监测项目的详细记录，以图表形式展示。

5.3 自动预警

可对每个传感器设置预警阈值，在监测数据异常时发出预警，显示实时预警信息、处理状态等，后期可以查询、统计等。监测信息推送：保存推送的预警信息，设置何时预警、预警方式、预警对象、预警信息推送人员等，可按周/月/季/年度等统计预警信息，生成监测报告。

6 结语

该桥主跨为钢拱塔斜拉桥，属于特殊结构的桥梁，在定期监测中存在较多的病害，由于该桥没有进行健康监测，病害的形成时间及近期的发展情况无法进行溯源，无法准确对病害性质进行判定。随着该桥信息化监测系统建立，可以对该桥现状病害进行实时跟踪，进而可以根据病害的发展情况对病害的性质进行判定并进行处理，达到对该桥进行科学管养的目标。同时根据积累的桥梁结构数据及该桥的病害特点，可以总结出该类型桥梁的病害特点与防治措施，可以对同一类型的桥梁的养护及设计提供强有力的数据支撑，进而提升整个行业的钢拱塔斜拉桥的养护与设计水平。