設(shè)計(jì)背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,對(duì)于交通運(yùn)輸能力的要求不斷提高，許多橋梁的際承載超過了設(shè)計(jì)承載能力,橋梁的老化和功能退化呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。隨著橋齡的增長(zhǎng)，氣候、環(huán)境等自然因素的作用和日益增加的交通量及重車 、超重車過橋數(shù)量的不斷增加 , 大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用功能也必然發(fā)生退化。為確保大跨橋梁的結(jié)構(gòu)安全 、實(shí)施經(jīng)濟(jì)合理 的維修計(jì)劃 、實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 , 建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。同時(shí) , 通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)橋梁早期的病害 , 能大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用 , 避免出現(xiàn)頻繁大修關(guān)閉交通所引起的重大 經(jīng)濟(jì)損失。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提供獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息的工具 , 使決策者可以針對(duì)特定目標(biāo)作出正確的決策。然而 , 對(duì)于一座運(yùn)營(yíng)的大型橋梁結(jié)構(gòu)來說 , 政府 、橋 梁管理部門 、維修養(yǎng)護(hù)部門等關(guān)心的問題各有不同. 如政府部門關(guān)心的是橋梁是否正常通行 , 是否影響整個(gè)地區(qū)或國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ; 橋梁管理部門主要關(guān)心的是橋梁能否正常運(yùn)營(yíng)以及運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益 ; 維修養(yǎng)護(hù)部門關(guān)心的是橋梁能否安全運(yùn)營(yíng) ; 而設(shè)計(jì)與建設(shè)單位則關(guān)心的是大橋是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)以及一些特殊設(shè)計(jì)的工作狀況如何。 因此 , 在設(shè)計(jì)大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí) , 首先應(yīng)該綜合考慮大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)功能的要求 , 確定系統(tǒng)需要獲取哪些信息 ; 其次應(yīng)當(dāng)結(jié)合監(jiān)測(cè)費(fèi)用 , 從科學(xué)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā) , 由大量可選監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中選取適當(dāng)項(xiàng)目實(shí)施 , 達(dá)到費(fèi)用效益比。 通過分析 , 明確哪些項(xiàng)目進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè) , 哪些作為周期檢測(cè)或日常檢測(cè)項(xiàng)目 , 通過專門的檢測(cè)設(shè)備獲取需要的數(shù)據(jù)。

通常大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括3個(gè)方面內(nèi)容 , 即 :工作環(huán)境監(jiān)測(cè) 、結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為監(jiān)測(cè). 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇主要從以下幾個(gè)方面考慮 :

1 ) 大橋各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)安全中的重要性和構(gòu)件的易損性。

2 ) 根據(jù)橋梁所處的地理環(huán)境和氣候環(huán)境特點(diǎn) , 進(jìn)行風(fēng) 、溫度 、地脈動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè) ,以及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響監(jiān)測(cè)。

3 ) 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容中的監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇 , 從結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的需要和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理需求出發(fā) , 要為未來進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和結(jié)構(gòu)安全評(píng)判做技術(shù)準(zhǔn)備。

4) 對(duì)大跨橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)布點(diǎn)設(shè)置以監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的整體狀況與觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的規(guī)性為主 , 同時(shí)考慮長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)局部結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)的指引。

5) 對(duì)于一些重要的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都要列入監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

6) 根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 、資金的投入 , 綜合考慮長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和周期檢測(cè)的項(xiàng)目比重。

系統(tǒng)功能

為達(dá)到上述目標(biāo)，建立“橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，其核心思路為：緊密結(jié)合養(yǎng)護(hù)，以安全評(píng)價(jià)為核心，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)對(duì)橋梁安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)分級(jí)和紅 線預(yù)警：根據(jù)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況分級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的紅線預(yù)警分析， 橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)期功能包括：

（1）報(bào)告大橋主要構(gòu)件的應(yīng)力、變形等響應(yīng)情況狀況；

（2）報(bào)告大橋主要構(gòu)件是否有較大損傷或累積破壞；

（3）實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)下（包括荷載、工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)）的預(yù)警；

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、信號(hào)傳輸技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信 息收集解算技術(shù)。從宏觀、微觀相結(jié)合的角度，來監(jiān)測(cè)影響高鐵路基沉 降安全的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，記錄歷史、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，分析未來的走勢(shì)，以便輔助 監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)單位決策，提升安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。

橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：

鋼箱拱監(jiān)測(cè)；

橋面監(jiān)測(cè)；

吊桿索力；

系桿力監(jiān)測(cè)；

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖如下

鋼箱拱監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

鋼箱拱監(jiān)測(cè)主要包括應(yīng)變監(jiān)測(cè)，裂縫監(jiān)測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)和空氣濕度監(jiān)測(cè)。

為監(jiān)測(cè)鋼箱拱在荷載下的變形，在主跨跨中、主跨 1/4 跨、支座截面、牛腿位置等應(yīng) 力較大處共安裝 44 個(gè)光柵光纖應(yīng)變傳感器。另外，在相應(yīng)截面布設(shè)了 22 個(gè)光柵光纖溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)溫度和為應(yīng)變傳感器作溫度補(bǔ)償。

 為監(jiān)測(cè)混凝土拱肋的裂縫和溫度，在易出現(xiàn)裂縫的位置共布設(shè)了 64 個(gè)長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵 應(yīng)變傳感器和 32 個(gè)光纖光柵溫度傳感器。

為監(jiān)測(cè)鋼箱拱內(nèi)空氣的濕度，在主跨跨中、支座 跨跨中等位置共安裝了 18 個(gè)空氣濕度傳感器。

鋼箱拱監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖如下；

橋面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋面監(jiān)測(cè)包括橋面振動(dòng)監(jiān)測(cè)和環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)。

在橋面的主跨跨中截面、1/4 截面各布置 2 個(gè)加速度傳感器，測(cè)量橋面的振動(dòng)特性。

為監(jiān)測(cè)橋址處環(huán)境狀況，在跨中截面附近布設(shè)風(fēng)速儀一臺(tái)。

吊桿索力監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) 

吊桿作為重要的傳力構(gòu)件，將縱橫梁等作用和汽車等可變作用傳遞到拱肋上，監(jiān) 測(cè)吊桿的受力狀況對(duì)于判斷拱橋是否處于正常工作狀態(tài)至關(guān)重要。吊桿索力監(jiān)測(cè)一般采用 頻率法測(cè)得。 本橋從主跨兩端起第二、第三根吊桿相比其他吊桿更容易損壞，因此在這幾根吊桿中 間布置加速度傳感器，監(jiān)測(cè)吊桿的振動(dòng)頻率，進(jìn)一步分析得到吊桿的索力。

吊桿索力監(jiān)測(cè)布置圖如下；

系桿力監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

該橋的水平推力主要是由布置在橋面的系桿來平衡，本橋兩側(cè)各設(shè)置 6 根系桿，在每 根系桿的錨固端各布設(shè)一個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)系桿應(yīng)變，通過換算得到系桿力。 為抵消環(huán)境溫度變化的影響，適當(dāng)布置了 8 個(gè)光纖光柵溫度傳感器。

系桿力監(jiān)測(cè)布置圖如下；

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、無線信號(hào)傳輸裝置、中心信號(hào)接收及處理裝置、機(jī)房及計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、組成。

系統(tǒng)建立開放的數(shù)據(jù)接口，通過專線或網(wǎng)絡(luò)或帶寬允許的情況下走公用互聯(lián)網(wǎng)，接入或遠(yuǎn)程查看支持遠(yuǎn)程專家會(huì)診。