設計背景

隨著國民經濟迅速發(fā)展,對于交通運輸能力的要求不斷提高，許多橋梁的際承載超過了設計承載能力,橋梁的老化和功能退化呈現加速趨勢。隨著橋齡的增長，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 、超重車過橋數量的不斷增加 , 大型橋梁結構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構安全 、實施經濟合理 的維修計劃 、實現安全經濟運行 , 建立大跨橋梁結構健康監(jiān)測系統是非常必要的。同時 , 通過健康監(jiān)測系統發(fā)現橋梁早期的病害 , 能大大節(jié)約橋梁的維修費用 , 避免出現頻繁大修關閉交通所引起的重大 經濟損失。

監(jiān)測項目選擇

結構監(jiān)測系統是提供獲取橋梁結構信息的工具 , 使決策者可以針對特定目標作出正確的決策。然而 , 對于一座運營的大型橋梁結構來說 , 政府 、橋 梁管理部門 、維修養(yǎng)護部門等關心的問題各有不同. 如政府部門關心的是橋梁是否正常通行 , 是否影響整個地區(qū)或國家經濟發(fā)展 ; 橋梁管理部門主要關心的是橋梁能否正常運營以及運營的經濟效益 ; 維修養(yǎng)護部門關心的是橋梁能否安全運營 ; 而設計與建設單位則關心的是大橋是否達到了設計目標以及一些特殊設計的工作狀況如何。 因此 , 在設計大型橋梁結構監(jiān)測系統時 , 首先應該綜合考慮大橋的結構特點和各個方面對系統功能的要求 , 確定系統需要獲取哪些信息 ; 其次應當結合監(jiān)測費用 , 從科學經濟實用的角度出發(fā) , 由大量可選監(jiān)測項目中選取適當項目實施 , 達到費用效益比。 通過分析 , 明確哪些項目進行長期連續(xù)監(jiān)測 , 哪些作為周期檢測或日常檢測項目 , 通過專門的檢測設備獲取需要的數據。

通常大跨橋梁結構健康監(jiān)測系統的監(jiān)測項目包括3個方面內容 , 即 :工作環(huán)境監(jiān)測 、結構狀態(tài)監(jiān)測和結構響應行為監(jiān)測. 監(jiān)測項目的選擇主要從以下幾個方面考慮 :

1 ) 大橋各類結構構件在結構安全中的重要性和構件的易損性。

2 ) 根據橋梁所處的地理環(huán)境和氣候環(huán)境特點 , 進行風 、溫度 、地脈動作用下的結構響應監(jiān)測 ,以及結構基礎的影響監(jiān)測。

3 ) 系統監(jiān)測內容中的監(jiān)測參數選擇 , 從結構狀態(tài)評估的需要和運營養(yǎng)護管理需求出發(fā) , 要為未來進行狀態(tài)識別和結構安全評判做技術準備。

4) 對大跨橋梁結構的長期監(jiān)測布點設置以監(jiān)測橋梁結構的整體狀況與觀測橋梁結構響應的規(guī)性為主 , 同時考慮長期監(jiān)測對局部結構病害檢測的指引。

5) 對于一些重要的特殊結構設計一般都要列入監(jiān)測項目。

6) 根據大橋的結構特點 、資金的投入 , 綜合考慮長期監(jiān)測和周期檢測的項目比重。

系統功能

為達到上述目標，建立“橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統”，其核心思路為：緊密結合養(yǎng)護，以安全評價為核心，實現“數據對橋梁安全狀態(tài)進行評估，實現結構狀態(tài)分級和紅 線預警：根據人工監(jiān)測數據的橋梁健康狀況分級，根據監(jiān)測系統實時數據的紅線預警分析， 橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統預期功能包括：

（1）報告大橋主要構件的應力、變形等響應情況狀況；

（2）報告大橋主要構件是否有較大損傷或累積破壞；

（3）實現異常狀態(tài)下（包括荷載、工作環(huán)境和結構響應）的預警；

系統監(jiān)測內容

橋梁健康監(jiān)測系統是利用傳感器技術、信號傳輸技術，以及網絡技術和信 息收集解算技術。從宏觀、微觀相結合的角度，來監(jiān)測影響高鐵路基沉 降安全的關鍵技術指標，記錄歷史、現有的數據，分析未來的走勢，以便輔助 監(jiān)測運營單位決策，提升安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。

橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統主要監(jiān)測內容包括：

鋼箱拱監(jiān)測；

橋面監(jiān)測；

吊桿索力；

系桿力監(jiān)測；

監(jiān)測系統測點布置圖如下

鋼箱拱監(jiān)測設計

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

為監(jiān)測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 力較大處共安裝 44 個光柵光纖應變傳感器。另外，在相應截面布設了 22 個光柵光纖溫度傳感器，以監(jiān)測溫度和為應變傳感器作溫度補償。

 為監(jiān)測混凝土拱肋的裂縫和溫度，在易出現裂縫的位置共布設了 64 個長標距光纖光柵 應變傳感器和 32 個光纖光柵溫度傳感器。

為監(jiān)測鋼箱拱內空氣的濕度，在主跨跨中、支座 跨跨中等位置共安裝了 18 個空氣濕度傳感器。

鋼箱拱監(jiān)測測點布置圖如下；

橋面監(jiān)測系統設計

橋面監(jiān)測包括橋面振動監(jiān)測和環(huán)境狀況監(jiān)測。

在橋面的主跨跨中截面、1/4 截面各布置 2 個加速度傳感器，測量橋面的振動特性。

為監(jiān)測橋址處環(huán)境狀況，在跨中截面附近布設風速儀一臺。

吊桿索力監(jiān)測設計 

吊桿作為重要的傳力構件，將縱橫梁等作用和汽車等可變作用傳遞到拱肋上，監(jiān) 測吊桿的受力狀況對于判斷拱橋是否處于正常工作狀態(tài)至關重要。吊桿索力監(jiān)測一般采用 頻率法測得。 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)測吊桿的振動頻率，進一步分析得到吊桿的索力。

吊桿索力監(jiān)測布置圖如下；

系桿力監(jiān)測設計

該橋的水平推力主要是由布置在橋面的系桿來平衡，本橋兩側各設置 6 根系桿，在每 根系桿的錨固端各布設一個光纖光柵應變傳感器，監(jiān)測系桿應變，通過換算得到系桿力。 為抵消環(huán)境溫度變化的影響，適當布置了 8 個光纖光柵溫度傳感器。

系桿力監(jiān)測布置圖如下；

系統組成

系統由傳感器、數據采集裝置、無線信號傳輸裝置、中心信號接收及處理裝置、機房及計算機軟件系統、組成。

系統建立開放的數據接口，通過專線或網絡或帶寬允許的情況下走公用互聯網，接入或遠程查看支持遠程專家會診。