崇启大桥结构健康监测系统的设计和应用
2015-06-30
桥梁经过长期使用难免会发生各种各样的结构损伤，损伤的原因有地震、洪水等自然灾害，也有车辆超载、车祸、船舶撞击等人为因素，以及腐蚀、氧化、风雨、振动等环境因素。随着大跨桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化，为了把握桥梁结构在运期间的承载能力、营运状态、安全性和耐久性，需要建立桥梁结构健康监测系统[1]。桥梁结构健康监测系统是在桥梁内部关键部位安装各种类型的传感器来对桥梁的整个使用寿命期间的结构健康状况和性能进行监测的一种完整的在线实时监测系统。其基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。
1 工程概况
上海崇明至江苏启东长江 （崇启大桥）全线采用双向六车道高速公路标准建设，主桥为双幅102m+4×185m+102m的六跨钢连续梁桥，引桥为60×50m节段梁拼装混凝土连续梁桥和20×30m现浇混凝土连续梁桥，其主桥联长和单跨跨径均为国内同类桥型第一。为确保崇启大桥施工及营运期的安全性和耐久性，崇启大桥建立了桥梁结构健康监测系统。
2 系统构成
崇启大桥结构健康监测系统设计主要从三个方面考虑：结构安全监测、运营期养护、验证桥梁结构设计，以主桥为主、兼顾50m跨引桥，重点关注主桥风场特性、结构应变、振动、位移、钢结构疲劳和引桥体外预应力束索力等。其健康监测系统包括以下四个部分：①传感器子系统；②数据采集与传输子系统；③数据管理与控制子系统；④结构健康预警与评估子系统。
这四个子系统构成了崇启大桥结构健康监测系统，具体工作步骤如下：①传感器子系统的各传感器在线拾取大桥关键部位的信号；②将采集到的传感器信号转换成数字信号存储在本地工业用计算机内，同时通过计算机光纤网络传输到数据处理与管理子系统；③由计算机系统完成数据的后处理、归档、显示及存储；④结构健康评估系统根据监测系统送来的数据进行分析、统计、阈值判别给出评估意见及报警信息，并为养护工作提出建议。
2.1 传感器子系统
崇启大桥结构健康监测系统监测对象分为2类9项：①荷载监测：风、大气温湿度以及结构温度、路面温度、交通荷载；②结构响应监测：加速度（主梁振动、地震船撞）、主梁挠度、应力应变、支座及伸缩缝位移、体外预应力索索力。
结构健康监测系统设计的关键是布点设计，崇启大桥设风速测点2个，温湿度测点8个，结构温度测点72个，伸缩缝位移测点8个，挠度测点9个，应变测点72个，振动测点26个，地震及船撞测点21个，体外索索力测点16个。
（1）风荷载监测
和普通的混凝土梁式桥不同，大跨径钢连续梁桥由于刚度较小、自重较轻，在风荷载作用下，可能产生风致振动。崇启大桥在实际运营中，需要实时监测风荷载的影响，并分析评估大桥的结构响应。
（2）空气温湿度及结构温度监测
空气温湿度及结构温度变化是桥梁的重要荷载源之一，常引起大桥的变形和桥梁线形的改变，温度变化对混凝土构件及钢构件有很大的影响，是监测的重要内容。崇启大桥主桥为钢连续梁桥，更需要监测钢箱梁内的温湿度。
（3）结构振动监测
桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果，而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果。崇启大桥结构健康监测系统实时监测大桥主桥主梁及主墩各部位在风、交通、地震等作用下引起的振动加速度响应，评估结构的整体动力特性，为桥梁结构整体健康状况评估、验证大桥设计理论及运营管理提供依据。
（4）应力应变监测
应力监测的目的是了解在交通荷载、风荷载、温度荷载及地震、船撞等各种荷载作用下大桥各重要钢构件的应变、应力情况，为评价结构工作状态及疲劳寿命提供依据。
（5）支座、伸缩缝位移监测
崇启大桥主桥中间墩采用墩梁固结，其他墩设置纵向滑动支座。健康监测系统监测主桥主梁的纵、横向位移，为评估风荷载、船撞、地震、交通对主梁的作用提供依据。同时桥梁进入运营阶段，伸缩缝是易于损坏的构件，实时监测伸缩缝处的位移，能够了解伸缩缝处变化情况。由于主桥主梁是一个整体，为提高效率节省资源，支座位移与伸缩缝位移合并监测。
（6）挠度监测
崇启大桥结构健康监测系统实时监测大桥的主梁几何线形及其变化，研究挠度变化与环境变化（风、温度、交通荷载）的关系，为大桥工作状态动态显示及结构健康评估提供资料。
（7）体外索索力监测
崇启大桥引桥水中段采用预制节段整跨拼装50米连续梁桥，其体外预应力束工作状态使其正常使用的关键所在，通过加速度传感器使用振动法测量索力能够较准确地测量出体外索索力，从而达到实时掌握体外索拉力情况，为评估各构件的工作状况提供依据目的。
2.2 数据采集与传输子系统
数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、显示、传输和保存等。数据采集与传输子系统由数据采集单元（工作外站）和数据传输网络，以及数据采集与传输软件组成。
2.3 数据管理与控制子系统
崇启大桥结构健康监测系统软件采用C/S（客户机/服务器）结构，中央数据库采用Oracle，监测系统应用程序的编程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
2.4 结构健康预警与评估子系统
崇启大桥结构健康评估系统目前主要分为综合评估以及监测评估两部分。综合评估主要是对大桥日常人工养护所提供的数据并且结合实时健康监测数据，根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTGT H21-2011）进行相应评估打分，最后以分数形式表示桥梁养护状态。
“崇启大桥结构健康监测评估”通过对大桥的风荷载、大气温湿度、结构温度、挠度、支座位移、体外索索力、地震船撞、应变等监测数据进行计算最终以百分制的分数形式直观提供给用户。
3 结语
崇启大桥根据自身结构的特点，建立了结构健康监测系统，实现了实时监测与状态评估。目前，该系统已运行一年多时间，在运行期间，运营单位定期对系统、外场设备进行分析、检测及维护，按月出具崇启大桥结构健康监测数据月报，为崇启大桥提供了大量的监测数据。同时结构健康监测系统的监测数据也表明了系统的合理性、可行性和大桥的安全可靠性。
桥梁结构健康监测系统涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、图形学、通信等多门学科，随着系统和网络技术的不断提高、完善和研究内容的不断深化，系统的自动化程度将不断提高，最终可以实现一整套完善的桥梁结构监测与评估报警系统，从而提高桥梁运营期的结构安全。
