大跨度斜拉桥健康监测系统建立及安全评估分析

林俊成

摘 要：本文以某斜拉桥为例，详细阐述了健康监测系统的设计内容及测点布置，为准确评估分析结构实时运营状态，通过对实时传输的数据进行分级评估，实现对结构运营过程中的状态实时预警。通过对当日环境数据、结构静力数据以及结构动力分析可知，当日桥梁环境监测正常，运营状态良好。为后续斜拉桥健康监测系统的设计及结构安全评估分析提供了经验和参考。

关键词：斜拉桥;健康监测;测点布设;系统设计;安全评估

中图分类号：U446;U448.27 文献标识码：A

0 引言

在桥梁正常运营期间，桥梁结构由于车辆荷载的作用以及环境因素的影响，使得结构不可避免的出现不同程度的损伤[1-2]。桥梁健康监测系统中通过采集得到的海量数据对结构实时状态进行评估，而结构的评估体系建立的合理性对结构实际状态的把握具有决定性影响，因此本文通过某主跨为316 m的大跨斜拉桥健康监测系统为例，阐述了该健康系统设计的主要内容及评估系统的评估体系。

1 工程概况

某斜拉桥主桥为（135+316+135）m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，三跨布置，边、中跨之比为0.427，主桥全长586 m。该桥主梁采用预应力混凝土肋板式结构，主梁采用预应力混凝土肋板式结构，主肋高度2.8 m，宽2 m。主塔采用花瓶型，斜拉索采用扇形空间双索面布置，每塔每索面共22对斜拉索，共176根。根据有限元计算，结构传感器测点布置如图1所示。

2 健康监测安全评估系统建立

2.1 结构安全评估系统架构

结构安全评估是桥梁运用期间监测系统最关键的部分之一，自动化监测系统采集的数据需通过安全评估来判定结构的运营状态，对结构安全使用状态进行预警。安全评估系统的可靠性决定了健康监测系统对结构运营期间的使用状态进行评估的准确性，对管理者制订管养决策具有至关重要的作用。

2.2 安全评估体系

桥梁状态安全性评估分为五级，分别为很好、良好、正常、较差、危险状态等。当功能性评估桥梁状态为较差或危险时，进行承载能力评估。

应根据状态评估模块结果进行安全一级评估，当发现结构整体响应异常时，应启动安全二级评估;当发现结构局部响应异常时，应启动专项检查，若发现桥梁损伤，应利用监测数据和专项检查结果进行安全二级评估。桥梁因遭遇强风、地震、船撞、雪灾、洪水、特殊车辆过桥等突发事件而进行专项评估时，应对事件发生前后的数据进行对比分析。

2.3 安全预警体系

为避免个别数据的采集异常而影响系统预警的灵敏性和及时性，采用分级报警的方式实现安全报警，报警分三级：黄色预警、橙色预警和红色预警。当系统异常或结构响应超限时，自动启动初级预警程序，具体表现为：发出报警信息，同时在桥梁图形上对应的位置以黄色、橙色或红色闪烁的方式显示，并生成预警记录，异常排除后，图形显示正常，同时生成异常排除记录。

3 实测数据评估分析

以某斜拉桥一天内的实测数据为研究对象，分析各传感器实测数据，分析当日结构各项结构参数是否满足安全评估要求。

3.1 主梁挠度

主梁线形监测测点布置于主梁中跨、边跨、辅助跨等监测截面以及塔内基准点，全桥共18个测点，采样频率为1 Hz。

由图2，主梁全天线形曲线平滑，最高线形与最低线形跨中处偏差最大，达到0.031 m，一方面是由于车载在跨中处变形最大，另一方面整体升降温跨中变形最为显著。

桥梁挠度由两部分组成：温度效应挠度及荷载效应挠度。由于温度效应是长周期，取跨中测点进行分析，将实测曲线分解为恒载+温度效应和活载效应部分。

由图3中可以看中，恒載+温度项线形与温度趋势相反，温度上升，线形下降。在寻求线形与温度的相关关系后，可以将线形换算为20℃的基准状态，分析与基准线形的偏差，衡量桥梁状态的改变量。线形活载项每一个峰值代表了车载的一次激励。

3.2 结构应变

结构应变（应力）是结构整体和局部受力安全状态的直接反应，是监测的重要方面。综合考虑结构整体和局部受力特点、既有结构损伤部部位等因素，确定结构在活载作用下结构响应显著、安全系数较低的代表性监测点，用光纤光栅应变传感器对主梁和索塔各关键部位动、静态应力应变进行监测，共布置63个测点，采样频率为20 Hz，监测结果如下。

由图4，测点应变具有明显的规律性，与温度相关性强。对实测应变值进行温度补偿并去除结构温度影响，得到活载应变曲线。主梁活载效应曲线如图5所示。

分析图5当日全天主梁拉压应力均在活载效应包络图以内，未超过阈值。

3.3 斜拉索索力

结合大桥索力测试采用单向加速度传感器结合频谱法。全桥斜拉索索力振动测点共64个，采样频率为20 Hz，每小时分析一次索力。

选取2019年6月10日索力实测数据，绘制索力包络变化曲线如图6所示。

由图6可知，索力与基准索力偏差较小，基本在10%范围以内，表明索状态正常，未出现明显损伤。

4 结论

根据斜拉桥的结构特点及所处环境因素，从环境参数与荷载输入、结构响应两方面布设了相应测点，并将BIM和监测管养系统结合，实现对大桥全寿命周期的信息共享。建立了结构安全评估系统，对结构实时传输数据进行评估分析，实现对结构的实时预警。基于实测数据对结构进行了整体评估，通过当日实时实测数据分析，结构运营状态良好，未达到预警阈值。

参考文献：

[1]叶仲韬，王永亮.大跨度钢箱梁斜拉桥健康监测数据分析[J].世界桥梁，2016（3）：43-47.

[2]王超，钟继卫，朱宏平.面向管养的军山大桥健康监测系统研究[J].土木工程与管理学报，2013（3）：6-11.