某重载铁路连续刚构桥梁健康监测方案设计

陈兴权，王 莹，杨宏印*，3，王亚飞，李培涛

1. 武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430074；2. 武汉临空经济区建设投资开发集团有限公司，湖北 武汉430000；3. 桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉430034；4. 中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034

近年来，随着重载铁路列车速度及轴重的提升［1］，在列车行进过程中，结构安全性问题受到人们持续关注。桥梁作为重载铁路的关键工程，了解并实时掌握在役桥梁的运营状态，是保证桥梁的使用安全和延长其使用寿命的有效策略。

桥梁健康监测系统自20世纪80年代引入中国后，取得了飞速发展，大部分特大型桥梁（滨州黄河公路大桥［2］、石济客专济南黄河公铁两用特大桥［3］、青马大桥、润扬大桥、苏通大桥、虎门二桥和港珠澳大桥等［4］）都安装了健康监测系统。桥梁健康监测是保证桥梁安全运营的重要手段［5］。传统的管养体系主要以人工定期巡检为主，一是缺乏与运维安全相关指标的实时监测，二是由于结构体量和桥位环境等因素，难以保持高频度的巡检，这使得运维管理工作对网络化、区域化和实时性监管技术的需求日益迫切［6］。与传统桥梁鉴测技术相比，桥梁健康监测具有省人力、可预见性及大数据等优势，因此被广泛应用于各类桥梁结构中。重载铁路桥梁因其地域广、主体大及检测难度高等特点，桥梁健康监测系统发挥的作用尤为重要。

某重载铁路连续刚构桥因施工过程中出现较为严重病害，经加固补强后，该桥于2014 年正式投入运营，同时埋设了相应的传感器以实时监测桥梁结构的安全状态。本文基于该桥特殊的成桥过程，通过温度、应力、变形和振动等参数，着重从设计原则、数据监测、测点布设及桥梁健康监测系统架构等方面进行设计，进而得到基于该桥的健康监测系统，以期为相关工程提供参考，实景如图1所示。

图1 某重载铁路连续刚构桥（96 m+132 m+96 m）实景图Fig. 1 Real picture of heavy haul railway bridge（96 m+132 m+96 m）

1 工程概况

该桥位于大准增二线，为重载铁路桥梁。主桥为三跨预应力钢筋混凝土连续刚构桥，跨度组成为96 m+132 m+96 m，边、中跨比为0.72，主梁为单箱单室变截面连续箱梁，实行单线铁路运输，设计荷载为中活载，验算荷载为中长跨荷载［7］，下部结构为矩形空心墩及钻孔灌注桩基础。施工过程中该桥在张拉箱梁底板预应力钢束时出现了底板混凝土崩裂、脱落的情况，后经检测发现桥梁存在预应力管道破损、混凝土强度不足以及混凝土蜂窝等病害。针对上述病害问题，对该桥进行了加固补强工程，主要措施如下：①11#墩边跨及中跨底板崩裂修复；②10#墩边跨预防性处理；③针对全桥蜂窝、麻面，空洞、孔洞及裂缝等进行全桥性缺陷修复；④对全桥表面进行涂装处理。

为了解和掌握该桥成桥后的运营安全状态，现对该桥运营期间的关键参数进行实时监测。桥梁跨径布置如图2 所示。

图2 桥梁跨径布置图（单位：cm）Fig. 2 Layout of bridge span（unit：cm）

2 桥梁健康监测系统组成及设计

2.1 桥梁健康监测系统的组成

重载铁路桥梁健康监测系统主要包含7 个部分，即传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理与分析子系统、预警报警子系统、安全评估子系统及数据库管理子系统，各系统协调配合完成结构评估与养护［8-10］。桥梁健康监测系统工作流程如图3 所示。

图3 桥梁健康监测系统工作流程图Fig. 3 Work flowchart of bridge healthy monitoring

2.2 设计思路

本文按照“经济性、适用性、有效性”的原则，针对桥梁关键截面的相关参数进行监测，以达到对该桥进行健康监测的目的。

桥梁健康监测的传感器子系统主要包括光纤光栅温度、应力、位移传感器［11］及加速度传感器，总体布置如图4 所示，各截面监测参数的传感器布置数量如表1 所示。

表1 截面传感器数量Tab. 1 Quantity of cross section sensors

图4 传感器总体布局图（单位：cm）Fig. 4 General layout of sensors（unit：cm）

图4 中：DTS 表示温度测点；Str-1～Str-9 表示应力测点；Def-1～Def-7 表示挠度测点；ZD-1～ZD-4表示振动测点，其中Def-1（1）表示该截面共布设1个挠度传感器，其余测点按照类似方法表示。

2.2.1 温度监测 文献［12］表明，由于桥梁是纵向狭长结构，沿桥梁纵向不同位置具有一致的温度分布形式。故考虑到经济因素，选择边跨跨中截面布置温度传感器，传感器选用光纤光栅温度传感器，采用实时监测，频率为10 min/次。温度传感器布置如图4 和图5 所示。

图5 温度传感器布置图（单位：cm）Fig. 5 Layout of temperature sensor（unit：cm）

2.2.2 应力监测 结构应力是判断结构安全最直接的指标，应力的超限或异常将会对桥梁产生破坏，通过应力监测数据分析所得到的动应力及动力系数可以反映桥梁的主要受力情况。方案选取桥梁关键截面，采用跨中对称布置，传感器选用光纤光栅应力传感器，频率为5 min/次。应力传感器布置如图4 和图6 所示。

图6 应力传感器布置图：（a）Str-1 和Str-9 截面，（b）Str-3 和Str-7 截面，（c）其余应力截面Fig. 6 Layout of stress sensor：（a）section of Str-1 and Str-9，（b）section of Str-3 and Str-7，（c）other stress sections

2.2.3 变形监测

1）主梁变形监测。铁路桥梁在列车荷载作用下的挠度表征了桥梁的变形能力，是直接衡量桥梁竖向刚度的指标［13］，其中结构变形是结构状态改变最灵敏与最精准的反应，因此对结构变形进行监测能够更准确地把握结构内力状态的改变，故对桥梁关键截面进行变形监测是有必要的。方案选取桥梁关键截面，并以11#墩顶为基准点，采用跨中对称布置，挠度传感器选用光纤光栅位移传感器，频率为1 Hz。挠度传感器布置如图7 所示，图8 为某时段C64、C70 及C80 列车经过桥梁时，桥梁跨中挠度监测数据。

图7 挠度传感器布置图Fig. 7 Layout of deflection sensor

图8 某时段桥梁跨中挠度数据Fig. 8 Deflection data of bridge midspan in certain period

2）伸缩缝变形监测。桥梁在多种荷载作用下将会产生一定的位移，对伸缩缝进行变形监测是判断桥梁位移的最直观途径。对桥梁纵向两侧（大桩号侧和小桩号侧）伸缩缝的横向错位及其本身间隙进行监测，同时在桥梁上游和下游各布设1 个测点，共计4 个伸缩缝变形监测点，频率为10 min/次，伸缩缝变形监测如图9 所示。

图9 伸缩缝变形监测图Fig. 9 Deformation monitoring chart of expansion joint

2.2.4 振动监测 桥梁的振动监测不仅反映了桥梁的安全运营状态，同时也更直观地呈现了桥梁各构件的实际状态［14］。方案选取桥梁关键截面，其中边跨及中跨跨中截面布置横向及竖向加速度传感器，10#墩顶布置横向及纵向加速度传感器，共计8 个振动测点，采样频率为40 Hz。振动传感器 布 置 如 图4 所示，图10 为 某时段C64、C70 及C80 列车经过桥梁时，桥梁跨中振动监测数据，很好地描述了桥梁在列车作用下桥梁跨中的振动情况，达到了该桥梁健康监测方案设计的要求。

2.2.5 阈值的设置 本桥采用2 种方法设置桥梁健康监测的阈值，即数值计算法和实时监测统计分析法。数值计算阈值是按桥梁基准有限元模型（依据荷载试验修正初始有限元模型）在活载作用下的结构挠度，同时对该阈值进一步划分，取0.75活载效应作为一级预警阈值，取活载效应计算值作为二级预警阈值，然而对于阈值的设定并不是永久固定的，需要根据桥梁健康监测数据，适时更新结构预警阈值，其中实时监测统计分析方法最为有效，其通过高通滤波，剔除长周期温度的影响，采用3σ 原则构建结构正常运行状态阈值，以挠度为主，应力为辅，将结构应力日常波动阈值范围作为黄色预应阈值第三类指标。该阈值的设置综合考虑了桥梁的成桥阶段及运营阶段，较为有效地对桥梁结构的安全状态进行把控。

3 结 论

本文针对某重载铁路连续刚构桥的特殊成桥过程，对该桥关键截面的荷载作用及结构响应进行实时监测，并详细介绍桥梁健康监测系统的工作流程，完成了对该桥温度、应力、变形及振动等参数的监测，并通过数据传输系统将所监测到的数据进行处理及分析，由预警报警子系统来判断桥梁的健康状态，最终自动录入到安全评估系统及数据库管理系统中，从而完成对整座桥梁的健康监测。

1）重载铁路桥梁具有地域形式复杂、外部环境多样及检测难度大等特点，伴随并利用技术的多样化，对某些特殊及重要的重载铁路桥梁（如本文提到存在特殊成桥过程的桥梁），进行针对性的健康监测系统的安装是必要和有意义的。

2）重载铁路桥梁健康监测系统的设计需要考虑桥梁具体的结构形式来合理地分配需要监测的参数，以免过多地浪费社会资源。

3）重载铁路桥梁健康监测系统中预警报警子系统阈值的设置需考虑多方面因素来合理地设置，确保桥梁在运营期间的健康状态。

4）本文基于该桥的特殊成桥过程，从设计原则、数据监测、测点布设及桥梁健康监测系统架构等方面进行设计，以期为相关工程提供参考。