缆索支撑桥梁结构健康监测技术研究

胡先磊

（云南路建集团欣业工程质量检测有限公司，云南 昆明 650200）

引言

桥梁健康监测和管理的重要性已引起工程人员的关注，合理的结构健康监测可以延长桥梁的使用寿命并减少维修检修费用。大跨径桥梁，特别是缆索支撑桥梁，其检查、维护修复费用高昂，并且经常会带来复杂的技术问题。测量和分析动态响应数据，临时或常规检查、维护和康复计划，可及时发现桥梁结构安全隐患[1]。测量和分析结构健康监测数据对于提高大跨度桥梁在环境荷载和外加荷载作用下的结构性能具有重要意义[2-3]。

1 桥梁结构监测系统

1.1 数据采集和传输系统

数据采集和传输系统是通过光纤网络连接的基于电脑端的数据采集单元（DAU）。光纤网络的体系结构可以使用令牌环系统。一个数据采集单元通常控制64～128个高速数据通道，数据采集单元的数量通常取决于高速数据通道的数量，而数据采集单元的位置则取决于低电阻、低灵敏度和非线性输出特性传感器的位置。传感器、数据采集单元和光纤网络之间的连接见图1。

图1 数据采集系统布局

1.2 数据处理与控制系统

数据处理与控制系统对数据采集、处理、传输、归档备份、显示和操作进行全面控制。现有的结构健康监测系统有定制的MATLAB、GPS软件和MATLAB的数据分析套件。除了MATLAB数据分析套件，LABVIEW软件将用于监测系统中，因为数据采集和传输系统的硬件基于PXI实时控制器，该控制器与LABVIEW软件最为兼容，可用于数据采集和相关工作。所有数据处理和分析工具都必须具备推导或计算振幅域、时域、频域和频率计数所需函数的能力。

1.3 便携式数据采集系统

结构监测系统中的可携式数据采集系统包括一个基于电脑端的数据记录器、二十四个便携式双轴伺服型加速度计、五个便携式单轴伺服型加速度计和十六个电缆盘（每个卷筒长度为100 m）的五类UTP电缆，并配有一个定制的LABVIEW软件系统，用于采集、处理、存档、存储和显示。它用于测量缆索的张力，并辅助固定伺服式加速度计识别桥梁的整体动态特性。收集的数据将直接传输到数据采集和传输系统进行频谱分析。

1.4 便携式检查和维护系统

结构监测系统中的便携式检查和维护系统包括3台便携式笔记本电脑，用于对数据采集和传输系统进行检查和维护工作。便携式检查和维护系统的另一个功能是通过存储和更新所有系统设计信息（包括所有图纸和所有操作和维护手册）来促进系统检查和维护。

2 健康监测类别与程序

2.1 风荷载监测

风荷载在大跨度斜拉桥结构设计中占有重要地位。桥梁结构安全健康监测系统中的风荷载效应监测包括台风、季风和大风（即平均速度大于5 m/s的任何风）的监测，分为五个步骤：（1）记录/存档来自甲板水平的超声波式风速计3个正交方向的风速时程数据，以及螺旋桨式风速计的塔顶水平面风速和风向的时程数据。（2）绘制平均风和阵风的风玫瑰图，并绘制梯度和阵风风速剖面图。（3）计算风紊流强度、时间和长度标度、频谱、共谱和相干度。（4）绘制桥梁构件（装有加速计、位移传感器）对风速的响应。（5）绘制安装有应变计的抗风支撑构件的应力需求比图。在获得足够的风数据结果后，进行极值分析，以预测各自正常使用极限状态和极限状态下的极端风况。

2.2 温度荷载监测

桥梁的热响应受环境温度、风速波动、材料性能、表面特性和截面形状的影响。该系统的温度或热负荷效应监测分为四个步骤：（1）测量空气、沥青路面、不锈钢的温度，绘制温度随时间的变化曲线。（2）从桥面板、塔架和电缆的代表性或关键截面的测量点推导或计算有效桥梁温度和温差，并绘制推导或计算结果与时间的关系。（3）估算/计算由实测温度梯度引起的桥梁上部结构应力水平。（4）根据温度绘制甲板的热运动图，如垂直运动的主跨中间和纵向运动的运动缝处的温度。测量结果将用于与设计值进行比较。此类监测的传感器为温度传感器、位移传感器和应变计，温度负荷监测结果见图2。

图2 温度监测结果

2.3 道路荷载监测

对于大跨度桥梁，交通堵塞是确定公路荷载强度的主要设计参照，而公路荷载强度取决于车辆荷载强度。交通负荷强度基于每天形成的交通堵塞数量，交通堵塞的位置、持续时间和车辆分布模式以及交通堵塞中交通流所采用的假设[4-5]。

WAWMS中的公路荷载效应监测包括两个步骤：（1）通过安装在车道上的动态称重传感器测量交通流量和交通荷载，用于识别通过桥梁的不同类型的轴荷载和不同类型的车辆。（2）建立基于应变/应力结果的公路荷载谱，用于关键结构构件（如桥槽段）的疲劳损伤评估。此类监测的传感器类型有动态称重传感器、应变计、液位传感站、GPS和CCTV摄像机。

2.4 铁路荷载监测

铁路荷载是交通荷载设计的另一个主要参数。铁路轨道模型由加劲桥面段拱腹处的纵向工字钢支撑。因此，铁路荷载通过纵向工字梁分配到加劲桥面段。由于没有传感器来测量列车对桥梁施加的动荷载，因此采用安装在纵向工字梁上的应变片间接进行铁路荷载监测。对应变和位移结果进行处理，以确定每组转向架载荷的影响线（力和位移）。一条列车线（7辆编组列车，由14组转向架载荷组成）的影响线由14组影响线叠加而成，处理应变结果以评估铁路负荷谱疲劳负荷。此类监测涉及的传感器类型有可焊接应变计、GPS和液位传感站。列车装载设计与测量监控见图3。

2.5 拉索受力监测

在斜拉桥中，索系是抵抗荷载的关键构件，特别是对于竖向荷载。在桥梁结构健康监测系统中，索力监测由加速度计、水平传感站和GPS进行。通过从环境振动的时程加速度数据中提取频率，可以确定每根电缆中的当前张力。在斜拉桥中，通过对斜拉索振动幅值的监测，可以估算出斜拉索在桥面和索塔上的竖向力和水平力。水准仪和GPS还可以通过转换实测的缆索净位移来评估活载作用下的索力。然后将计算的索力与正常使用和极限状态下的设计值进行比较。吊杆索力监测结果见图4。

图4 吊杆索力监测结果

3 结语

介绍了缆索支撑桥梁结构健康监测系统的体系结构，并通过典型图形图说明了监测结果的应用，以期为工程实际提供参考。桥梁健康监测系统的设计和运行需要注意四个方面：（1）大跨度桥梁的设计、施工、运营和维护，以确定监测参数的适当位置、类型和范围，并解释测量和分析结果；（2）用于测量和处理信号或数据的仪器技术；（3）用于数据输入/输出、分析和解释的图形CAD和数值分析技术；（4）用于数据传输、处理和可视化的信息技术。