某异型独塔斜拉桥监测系统的建设与应用

任刚 张兵 刘增祥 武俊宝 赵亮

（1.晋城晋建国道改线工程有限公司，山西 晋城 048000；2.山西建投晋东南投资有限公司，山西 晋城 048000）

大跨径斜拉桥具有跨越能力大、造型美观、结构轻盈等特点，是各级道路跨越河流山谷的常用桥型。此类桥梁一般为路线控制性工程，如果发生事故或中断交通，往往造成局域路网中断或瘫痪，对经济、交通、社会将产生较大不利影响。因此如何及时获知结构运行状态、保证运营安全、提前预警并采取应对措施等，是桥梁监管部门的工作重点。通过建立桥梁监测系统，获知结构荷载作用响应，并分析判断结构状态，是目前较为常用的方法[1～2]。随着传感、通信、数据处理等技术的发展与革新，桥梁监测也越来越受重视并得到广泛应用。主塔是斜拉桥的主要受力构件，其造型除满足受力要求外，往往还需体现景观美学和人文环境的特点。异形桥塔造型独特，往往成为区域的景观或标志，造型独特往往代表结构受力复杂[3～5]。本文以一种“水滴型”异形塔斜拉桥为例，以应变子系统为主，简要阐述结构受力特点、监测系统建立及监测结果，为今后同类型桥梁监测系统实施提供参考与借鉴。

一、桥梁概况

丹河特大桥位于国道342线山西省晋城市过境段，桥梁全长1738m，全桥共10联。其中跨越丹河处主桥采用（130+130）m跨径钢混组合梁独塔斜拉桥。主梁断面采用钢边主梁结合混凝土桥面板的整体断面。索塔采用“水滴”造型，全高94.5m。拉索采用高强平行钢丝成品索。斜拉桥采用塔墩固结、塔梁分离的结构体系。桥梁总宽28.4m，双向四车道通行。桥梁设计荷载为公路I级。桥梁立面布置示意如图1所示。

图1 桥梁立面布置示意

二、结构受力特点

采用迈达斯有限元软件建立丹河特大桥主桥的计算模型，采用梁单元在设计荷载下主要分析结果如图2所示。

根据软件分析结果可知：主梁受力最不利截面在距伸缩缝约31.5m位置；主塔受力不利截面在桥面、塔底附近；塔梁连接处主塔为弧形段，偏心受力现象明显。上述截面应为重点监测截面。

图2 桥梁主梁、主塔在荷载组合下弯矩包络图

三、监测系统建立

（一）传感器选型

数据采集所用传感器的精度、耐久性、可集成性是实现监测目标的基础与关键。该项目采用光纤应变传感器监测结构应变。该类型传感器具有抗电磁干扰、耐久性好、传输距离远等优点。为便于结构状态分析，全桥测点同步采集，采样频率为5Hz。

（二）测点布置

测点设置合理与否决定着监测系统能否准确感知结构状态变化，同时也决定着监测系统的经济成本。根据计算分析结果及结构构造特点，主梁在关键断面桥面板及钢纵梁均设置应变测点，典型断面测点布置示意如图3所示，主梁应变监测断面距主塔67.5m、98.5m，主塔两侧对称布置。主塔塔柱断面应变测点布置示意如图4所示，主塔应变监测断面距承台28m、47m。

图3 主梁典型断面应变测点布置示意

图4 主塔典型断面应变测点布置示意

（三）监测系统构成

桥梁监测数据采集软硬件系统是一个具有高度集成的实时采集系统。结合部分技术成熟的数据采集设备，开发专用数据采集系统用于构建桥梁监测平台。

1.监测系统构成

主要包括前端传感器、采集模块、数据传输模块、数据分析处理模块、数据展示平台软件。

2.数据传输方式

该项目采用有线数据传输方式，数据基本传输路径为：前端传感器采集-采集模块-数据传输-中心服务器-显示终端。

四、监测结果

为分析判断监测系统能否准确反应结构状态变化、评价监测系统有效性，截取日常监测中（2021年9月24日06：35～06：36），单车过桥时部分测点同一时间段内应变时程曲线，如图5所示。主梁应变测点取大小桩号侧跨中左侧梁底测点；主塔应变测点取南塔北侧面大小桩号侧测点，主梁或主塔应变测点对称选取。

图5 主塔、主梁部分测点相同时段内应变时程曲线

由此可知：车辆在加载跨时，该跨跨中测点拉应变增大，非加载跨对称测点出现压应变，待车辆行驶至另一跨时，测点的拉压状态互换；所选主塔测点随车辆位置移动，呈现的变化规律同主梁测点变化规律；主梁主塔的测点结果表明该桥应变测点设置合理，能够感知荷载变化引起桥梁结构内力变化，且所获取的结构状态变化规律符合实际，传感器的敏感性能满足监测需要。

图6 大桩号侧跨中主梁左侧梁底应变测点影响线

如图6所示主梁大桩号侧跨中左侧梁底应变测点影响线的计算分析结果，对比图5中主梁大桩号侧跨中左侧梁底应变测点在车辆过桥时的实测应变曲线，两条曲线形态形似、规律相同。单车荷载下，结构状态实际和理论的变化规律一致。以该监测系统的监测结果为基础分析判断结构状态，可实现监测预期目标。

五、评估预警

日常监测将产生大量数据，如何有效利用这些数据及时评估大桥承载能力、营运状态是监测系统使用效率的评价指标。为实现监测及时性，通过对监测数据在线初步统计、绘制趋势图等，并与预警值比较，实现预警提示。同时为提高监测评估准确性，除在线评估外，对涉及安全的在线预警提示还应结合专家评估系统离线评估。最终形成各种评估报告，为桥梁养护管理者提供指导意见，做到预测式、评估式桥梁维护管理。

六、结语

桥梁监测是及时获知桥梁状态的重要手段，监测系统设计应结合桥梁特点、经济代价及使用需求开展。测点的合理布置既能准确敏感地感知结构状态变化，也能实现效益最大化，是有效建立桥梁监测系统的基础。此外数据采集的精确程度、硬件系统的耐久性能也是能否实现长期稳定监测目标的关键因素。通过实测数据分析，丹河特大桥主桥应变监测系统可以满足大桥远程、自动化的监测要求。监测系统稳定性，有待通过长期观察与运行判断，但仍可为同类型监测系统建设提供参考。