健康监测系统在桥梁运营中的应用

彭虹霖,陈 新

(中铁长江交通设计集团有限公司,重庆 401121)

桥梁是交通路线的重要节点,而大型桥梁更是其中的生命线工程,因此桥梁结构的技术状况对交通系统的安全及区域经济的发展具有重大的影响。而桥梁在服役过程中,随着时间的推移,交通流量、行车速度等的不断提高,再加上一些不可预测的不良环境条件影响,其内力状态将逐渐偏离设计状态,结构安全性随之降低,严重时甚至会导致桥梁垮塌等突发事件。为保证桥梁结构在服役过程中的安全性,同时为后期的养护管理提供决策依据,因此,及时有效地掌握桥梁的健康状况变得极其重要。而目前的桥梁技术状况评估手段主要是桥梁定期检测和静动载试验,虽然二者技术比较成熟,在实际中也得到了广泛应用,但其固有的缺点仍然不可忽视。

(1)检测周期长。检测的实施需要进行前期的规划与准备,检测过程时间较长,无法预测并应对结构的突发状况。

(2)投资成本大。这类方法要求大量的人力、物力与财力,并会对交通造成不同程度的影响,其经济效益值得分析。

(3)检测结果的可靠性值得商榷。检测结果与检测人员的专业水平和经验相关,受主观影响较大,检测结果难以真实反映结构的实际状况。

随着信息传感技术的快速发展,“主动预防式”的结构健康监测理念应运而生,该技术能够实时监测桥梁的服役状态,真实地反映桥梁的实际使用情况,及时发现其安全隐患并预警,可避免因结构性灾害而引起重大事故的发生。当前,桥梁健康监测的理论与技术应用研究已逐渐成为科研领域、工程领域和管理养护领域等共同关注的热点。

1 桥梁健康监测系统

1.1 健康监测系统的内涵

桥梁健康监测系统的内涵主要体现在三个方面。(1)结构监测与评估:对桥梁工作状态进行实时监控,当桥梁运营异常时触发预警信号,为桥梁的养护与管理决策提供依据。(2)设计验证:通过健康监测手段获得实际桥梁结构的动力和静力数据,以此来验证分析模型、计算假定与结果;其更深远的意义在于可能会带来结构设计方法与标准规范等的改变。(3)研究发展:桥梁健康监测是一种现场的桥梁足尺模型研究,健康监测所获得的实际结构响应信息是对理论研究和试验分析的补充与验证,同时它还可提供与结构相关的最真实的环境信息,为关于桥梁未知问题的研究提供了新的契机[1-3]。

1.2 桥梁健康监测系统的组成

桥梁健康监测系统主要由四个子系统组成,它们分别在不同的软件和硬件环境中运行,通过网络协同进行工作,共同完成对桥梁的健康监测。(1)传感器与数据采集系统:主要功能是通过人工检测手段或安装在桥梁上的各类传感器获取结构的响应数据,具有实时采集与传输的功能,包括位移计、温度计、应变计、风速风向仪及连接介面等;(2)数据管理系统:主要功能是对实时监测的数据和不断修正的模型数据进行储存,形成监测数据库与模型数据库,为后续结构评估等功能提供大数据支持,包括信号拾取器与对应的存储设备等;(3)仿真分析系统:包括高性能计算机及专业分析软件等,主要功能是对所采集的海量结构响应数据进行处理和分析,实现对结构损伤的识别并发出预警信号;(4)综合评估决策系统:以上述分析结果为基础,结合专家意见,对桥梁的健康状况进行评估,并给出决策建议。[4]

1.3 桥梁健康监测的主要内容

健康监测的作用与目的决定了其监测的主要内容,同时,桥梁的规模与类型、重要性以及投资等也会在一定程度上影响监测内容的选择。目前,桥梁健康监测的主要出发点仍是对结构的监控与评估,因此,结合健康监测技术的发展与桥梁结构理论,桥梁健康监测的主要内容包括:(1)正常环境与使用条件下的结构物理力学状态,如结构位移与挠度、构件应力与内力等;(2)桥址的环境信息,如大气温度、湿度、风向与风速等;(3)桥梁中重要的非结构构件和附属设施的工作状态,如支座位移、基础沉降等;(4)桥梁各构件的耐久性,如混凝土裂缝、钢筋锈蚀、缆索与吊杆的腐蚀等[5]。

2 工程实例应用

2.1 工程背景

石河子市军垦一桥(原石河子市西一路高架桥跨北疆铁路斜拉桥)为独塔双索面预应力混凝土斜拉桥,桥梁全长179.84 m,跨径组合为89.92+89.92 m,采用“塔-梁-墩固接”的刚构体系,主梁采用肋板式断面,塔柱采用空心矩形截面,斜拉索采用扇形布置,桥面以上塔高41.709 m,为A型桥塔;桥宽20 m,其中行车道16 m,防撞护栏2×0.5 m,拉索锚固区2×1.5 m。设计汽车荷载:城市A级;设计安全等级:一级;地震烈度:地震动峰值加速度0.2 g;跨铁路净空要求:8.25 m;环境类别:Ⅱ类。

为了掌握桥梁运营初期结构内力和变形的发展变化规律,保证桥梁的安全运营,同时为后期管理养护积累数据,对本桥进行了定期的健康监测。

2.2 健康监测内容与监测方式

本桥健康监测的目的主要是结构的监测与评估,根据本桥的结构特点,结合现场的实际情况,确定了本桥的健康监测内容为斜拉索索力、主梁及塔柱控制截面应力、主梁线形和温度四部分。

(1)斜拉索索力的监测。通过监测斜拉索在长期荷载和活载作用下的索力变化,了解和掌握斜拉索的受力状态以及桥梁结构的整体力学状态;索力的监测利用布置在斜拉索上的穿心式传感器(压力环)进行直接监测并结合多通道动测法进行间接测量。

(2)主梁及塔柱的应力监测。通过对主梁和塔柱各控制断面应力的监测,了解和掌握主梁在服役期间内各测试断面应力的变化情况,预测主梁的健康状态,从而实现预警功能,保证其使用的安全性;应力的监测通过施工监控时已布置的测点应变计进行,将其中的部分测点纳入健康监测系统。

(3)主梁线形监测。主梁线形的监测就是监测其挠度的变化,挠度是评价桥梁健康质量和运营状态最直接的指标之一,由于挠度是一维竖向变形,根据现场的实际情况确定采用常规的水准测量方法进行监测。

(4)温度的监测。通过对温度的监测可以了解桥梁结构的温度随环境温度的变化情况;桥梁温度的监测利用应变计上自带的温度传感器进行监测,环境温度的监测利用环境温度计进行测试。

2.3 健康监测测点布设

(1)斜拉索索力测点。

本桥桥塔为A型桥塔,斜拉索采用扇形双索面布置。健康监测系统中的对应模块已设置了3根斜拉索的穿心式传感器自动采集,压力环测点布置在西北5号索、西北6号索和西南3号索处。

(2)主梁及塔柱应力测点。

以结构的理论分析为基础,利用施工监控模型对本桥进行仿真分析。

根据分析结果,主梁选择3个控制测试断面,分别位于两边跨跨中及主梁根部处;桥塔则充分利用施工监控时已布置传感器的断面。主梁及塔柱的应力测试断面布置如图1所示。

图1 主梁及塔柱应力测试断面(单位:cm)

其中,C-C断面共布置14个应变传感器,D-D断面共布置11个应变传感器,E-E断面共布置13个应变传感器。桥塔测试断面的测点共布置6个应变传感器。

(3)主梁挠度测点。

主梁挠度的监测借助于在桥梁上已建立的永久测点,永久测点共布置两条测线,分别位于横桥向两侧护栏内。

2.4 健康监测系统设计

为了实时掌握桥梁结构的变形情况和受力状态,采用无线数据自动采集系统,通过GPRS定位系统,采用CMNET传输方式将数据实时发送至控制计算机。整个健康监测系统主要由现场传感器与数据采集系统、数据管理系统和综合评估决策系统组成,如图2所示。

图2 本桥实时监测系统

2.5 健康监测结果分析

本桥的健康监测系统随着桥梁开始服役同步投入使用,迄今为止,已完成了对结构的6次定期监测分析。为了验证该系统的可靠性,同时探索桥梁健康监测应用方式的多样性,以第6次的监测结果为基础,结合前5次的监测结果进行了数据的分析与综合对比。

(1)斜拉索索力的监测与分析。

利用埋设的压力环采集西北5号索、西北6号索和西南3号索索力,同时,采用动测法对全桥索力进行了测试。动测法结果、压力环数据与设计值对比如图3所示,以西北面斜拉索为例,其索力六次监测结果与设计值的综合对比如图4所示。

图3 压力环、动测法与设计值对比

图4 西北面索索力监测结果对比

由斜拉索索力的监测结果可得出如下结论。

①压力环法测得的数据与设计值相比,差值在±7%以内,基本不超过±3%;与动测法所测数据相比最大差值在±5%之内。表明本桥的索力健康监测测试数据准确可靠,系统工作状态良好,满足监测要求。

②第一次至第六次的监测数据与设计值的综合对比显示,大桥服役以来,各斜拉索索力与设计值变化趋势相同,吻合度较好,排除测量误差的影响,其间出现的监测数值波动属于工程可接受范围内的正常现象,表明大桥各斜拉索处于正常工作状态,满足服役使用要求。

(2)主梁及塔柱应力的监测与分析。

主梁各监测控制断面的应力监测结果如图5～图7所示。

图5 C-C断面监测结果对比

图6 D-D断面监测结果对比

图7 E-E断面监测结果对比

桥塔监测断面的应力监测结果如图8所示。

图8 桥塔断面监测结果对比

由主梁及塔柱各测试断面的监测结果可以看出主梁各监测断面都不同程度地出现了数据缺失,如C-C断面的2、3、9和11～14号测点,D-D断面的2、9和11号测点,E-E断面的3、7号测点。分析其原因,是由于传感器自身的问题导致了个别数据采集异常或缺失,故在数据处理时对异常数据予以了剔除,但各监测断面的传感器数量布置充足,个别传感器的失效或数据异常不会对结构的监测评估结果造成影响。

总体而言,主梁及桥塔的应力监测值远小于截面控制应力,说明大桥处于正常的工作状态;同一监测点的监测值虽有波动,但波动不大,考虑自身误差和温度等引起的误差影响,认为其属于合理范围。

(3)主梁线形的监测与分析。

利用主梁两侧布置的永久测点监测的桥梁线形结果如图9、图10所示。

图9 东侧点线形监测结果对比

图10 西侧点线形监测结果对比

通过比较桥面高程设计值与六次监测结果可知,大桥整体线形平顺,各测点高程及变化规律符合设计要求,两侧高程监测值与设计值相比较为接近,且均高于设计值,表明大桥运营良好,符合桥梁状态控制要求。

3 结 论

就传统桥梁技术状况评定手段的优缺点及“主动预防式”桥梁健康监测的意义进行了阐述,总结了桥梁健康监测的内涵及监测系统的功能,探讨了典型桥梁健康监测系统的组成和主要监测内容。以实体工程石河子市军垦一桥健康监测系统的设计与实施为依托,通过对大桥自服役以来的6次监测结果分析可知:健康监测系统在该实际工程中具有良好的应用效果,能够确保桥梁结构状况预警的准确性,为决策者准确判断桥梁的健康状态提供数据支撑。