东莞某水道特大桥健康监测系统研究设计

东莞某水道特大桥健康监测及诊断系统研究设计陈烁钊摘要：桥梁是重要的道路交通设施，也较容易产生安全隐患，一旦发生安全事故必将造成巨大人员伤亡和财产损失。

根据《城市桥梁养护技术规范（CJJ99－2003）》要求，为防患于未然，东莞市某水道特大桥计划实施健康监测及诊断系统。

由于可资参考项目不多，成熟经验较少，本文所介绍的系统基本思路和构成，对桥梁安全管理具有一定的现实指导意义。

关键字：城市桥梁健康监测及诊断系统研究设计引言：近年来，国内外桥梁频发安全事故，特别是大型桥梁，如美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的大桥坍塌事故、我省九江大桥撞击事故、重庆綦江彩虹桥垮塌事故、湖南沱江凤凰城大桥事故等，都给广大人民群众造成巨大人员伤亡和财产损失。

根据美国桥梁管理和养护协会提供的不完全统计资料，桥梁的破坏呈早期与后期高危险的“盆”式曲线。

我国自上世纪八十年代以来，由于经济的高速发展，在短短二十年的时间内，一大批结构新颖、造型优美的超大、特大型现代化桥梁以极快的速度出现在各条国、省道干线公路和城市主干路跨越江、河、湖、海湾的咽喉控制部位。

相继建设完成世界上最大跨径的钢管拱桥（卢浦大桥、主跨550米）、世界上最大跨径斜拉桥（苏通大桥，主跨1088米）、世界上第二大跨径悬索桥（西堠门大桥、主跨1650米）等等世界顶级桥梁。

目前，中国桥梁设计和建设水平已跻身世界强国之列。

相对大桥的设计和建设水平，国内大型桥梁管理方式仍比较落后，诸多桥梁仍处于只建不养或养护管理不到位的现状，以致不少桥梁长期带病工作，甚至出现突发性破坏事故，造成了巨大的损失。

根据近年来我们所完成的桥梁检测工作，经分析研究，危及我市城市桥梁安全的病害及其成因主要有以下8类。

1、砌体结构开裂；2、梁板整体性差，单梁板受力现象突出；3、钢筋混凝土双曲拱、刚架拱、肋拱刚度偏小；4、大跨度连续箱梁、T 构跨中下挠、梁体开裂；5、地基基础软弱，桩基下沉；6、道路升级改造加大既有桥梁荷载；7、河道污水腐蚀桥梁下部结构；8、附属设施缺失，桥梁伸缩缝状况较差。

因此加强桥梁运营期间管理，对于重要的桥梁实施安全监控，及时掌握桥梁的安全状态，对保障道路通行安全具有十分重要的意义。

一、项目概况东莞市大汾北水道特大桥位于市区环城路，跨越大汾北水道三叉交汇口，主桥桥型为单孔128m下承式钢管混凝土系杆拱桥。

每幅桥设2片拱肋，全桥拱肋共46对92根吊杆。

桥面系由横梁、加劲纵梁和π型车行道板及桥面后浇层组成。

下部结构主墩墩身及承台设为两个分离式钢筋砼结构，主墩基础每墩8根φ180的钻孔灌注桩，墩身采用空心闭合箱型截面。

桥面按双向八车道外加人行道设计。

横桥向分为左右两幅完全独立且对称的桥，每幅桥面宽24m，具体组成为：3.75m（人行道）+0.5m（防撞护栏）+15.5m（车行道）+ 0.5m （防撞护栏）+ 3.75m（过桥水管和检修道）。

桥梁整体布置图见下图。

设计荷载：汽车—超20，挂车—120。

人群荷载3.5KN/m2（按人行道净宽2.85m布载）。

该桥2005年4月28日建成通车，目前车流量约每天约10万车次。

由于车流量密集，重型车辆多，一旦发生事故，后果将非常严重。

为及时掌握桥梁运行状况，防患于未然，根据《城市桥梁养护技术规范（CJJ99－2003）》要求计划在该桥实施安全监控系统。

大汾北水道特大桥主桥平立面布置图（单位：cm）二、系统需求及设计原则影响桥梁安全运行有各种各样因素，其中危害最大的主要是结构内力状态改变、结构损伤及两种因素综合作用。

由于桥梁所处环境各异，在分析产生以上因素时，必须充分考虑周围环境及交通荷载等动态状况的影响。

（一）本系统具体包括如下几个方面内容：1、对交通荷载状况进行监测，确定桥梁实际运营荷载水平及其对今后可能增长的交通荷载的承受适应能力，控制超限运输对桥梁结构造成的不利影响；2、对桥梁运营状态下应力、变形以及变位等响应进行监测，掌握桥梁的实际受力状态和使用工作状况，评估不同应力和变形变位水准下结构的安全可靠度，并通过疲劳分析等理论确定构件或结构的使用寿命，预报可能存在的隐患或质量衰退；3、对桥梁的振动响应进行监测分析，掌握其动力性能，判断是否有对大桥有害的振动，并为损伤识别、抗风抗震性能评估提供依据；4、纪录大桥可能经历的重大荷载及事故历程，如地震、超重交通荷载以及被车、船等撞击情况下的状况，并判断大桥是否因此而损伤；5、对大桥所处环境及关键部位长期变化进行监测，通过时间序列分析，及时查明大桥关键部位的变化趋势与变化规律，进而判断大桥可能存在的质量隐患、可能发展态势及其对结构安全运营造成的潜在威胁，为大桥评估、养护以及维修加固提供科学依据；6、设定大桥安全预警值，提供等级预警信息。

大桥在运营中若某种响应超过预警值，会及时给出警报，提示出现非正常荷载或大桥某部位性能退化，以便加强大桥检查或加固维修。

（二）根据以上需求，确定东莞市大汾北水道特大桥安全监控系统的设计原则：1、根据桥梁的结构特点，把握影响结构安全的主要因素，建立一套功能齐备、性能完善、经济合理的健康监测及诊断系统；2、采用技术成熟的系统配套产品，保证系统的准确性、稳定性；3、采用模块化设计，保证系统的可替换性、经济性；4、采用开放式系统设计，保证系统具有良好的升级、远程数据共享及监控功能；5、设置适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善的需求；6、采用日常监测和定期监测相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度；7、设计强大、合理、易用的前、后处理模块，以有效处理、分析和管理采集的数据。

（三）根据以上原则，监控系统要达到如下目标要求：1、为大桥运营期科学有序的监测巡检养护运营管理提供一个平台；2、尽早发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警；3、有效的掌控运营期大桥的结构使用状态，在结构安全及行车安全受到威胁的情况下采取适当的措施实现主动安全控制，切实提高结构的全寿命安全度；4、制定合理的预防性养护措施，有效降低大桥运营成本，为桥梁结构的科学养护维修提供依据；5、建立损伤及内力状态管理机制，追踪其演变过程，推测其预期的发展，并为制定相应的大桥管养对策提供技术支持；6、为桥梁管理者提供桥梁的巡检养护手册以指导并规范其养护行为，有效提高和保障桥梁运营的检测、养护和管理水平；7、辅助大桥管养者制定高效、经济、合理的运营管养措施，最大限度延长桥梁的安全使用年限。

三、系统设计总体框架桥梁结构健康监测及诊断系统是一个系统工程，其核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，在对监测信息进行综合评估的基础上获得行车和结构的双重安全状态信息。

为了更好地完成上述目标要求，系统主要包括以下内容：1、传感器监测子系统。

用于信号监测，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。

2、电子化人工巡检养护管理子系统。

用于制订桥梁的巡检体制以及巡检养护手册，并要求运营期根据手册设定的结构巡检任务，安排人员设备进行定时、定量、程序化的系统巡检，完成巡检的管理、记录、归档、分析和评估等工作；3、数据采集与远程传输子系统。

采集准确、可靠、具有代表性、如实反映结构状态的各种特征信息，并通过网络传输到数据处理中心直接关系到桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态作出正确的评估，能否为验证设计和桥梁管养提供科学的依据。

4、数据处理与控制子系统。

对数据采集系统收集到的数据进行筛选与挖掘，将有效数据通过远程传输到远程监控中心数据处理与控制服务器。

5、综合安全评估子系统。

根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果以及人工巡检结果对桥梁结构的安全使用状况进行评估。

包括结构评估识别子系统和结构安全控制辅助决策子系统。

6、中心数据库子系统。

各子系统数据的支撑系统，完成数据的归档、查询、存储等工作。

桥梁结构健康监测及诊断系统总体框架系统安全的信息来源于两个主要途径，一是利用自动传感测试系统获得力学指标的监测结果，二是利用人工巡检获得损伤的直接监测结果。

对于损伤信息，系统可以直接进行记录与简单的分析；对于力学监测指标则通过状态识别、损伤识别及无模型预警获得相关的信息。

最后利用综合评估模块对以上损伤及状态信息进行综合评估从而获得直观、简洁、易懂、对养护管理具有现实指导意义的桥梁结构综合评估报告，具体框图如下。

结构健康监测及安全监控预警系统总体结构四、传感器监测子系统传感器模块的核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。

（一）监测内容及测点布置桥梁的工作环境包括风力风向、环境温度湿度、车辆荷载等多方面的因素，这些因素对结构的影响都是直接且重要的。

根据东莞大汾北水道特大桥的具体情况，主要监测内容包括：环境风、温度、湿度监测；结构几何状态，包括主拱肋线形监测、主梁线形监测及基础沉降监测；结构响应与损伤，包括应力监测及吊杆索力监测；动态特性与振动响应，包括结构的频率、振型和阻尼特性，振动响应监测；交通荷载源，包括超重、超限、超速车辆特征、运营车辆荷载的统计特性等。

具体测点及监测项目详见下表。

大汾北水道特大桥监测项目及测点布置（单幅）（二）设备选型设备选型直接影响到系统运行的可靠度、维护及工程造价。

无疑设备选型是系统建设的重要环节。

本系统设备选型遵循如下原则。

1、传感器测试元件以及监测仪表的好坏从根本上决定了整个系统中自动化测试数据采集传输是否有效。

由于国内外生产、销售可用于土木工程结构监测、监测设备很多，各厂家生产的传感器性能及价格千差万别，即便是同一类型的传感器，不同型号技术性能和价格亦不尽相同，因此在进行系统监测仪器的选择上宜以可靠、精确、耐久、简便、经济实用、自动化程度及可更换性等为原则。

具体如下：（1）选择合适的传感器精度，根据桥型及环境状况选择合适的传感器布设位置；（2）传感器应能保证长期稳定工作，须选用国内外知名品牌以满足长期健康监测服务的需要，寿命要至少在10年以上；（3）传感器应具有较适合的频响范围以满足指定时间的实时监测的需要，应能够较容易满足组网使用的要求，主要传感器尽量选用相同类型；（4）采用高质量数据传输线，以保障使用寿命及数据可靠性。

2、索力测试设备对于桥梁索结构的索力监测，目前国内外尚无经过长期工程实践传感器，业界基本采用直接测力法、振动频率法和磁通量法。

（1）直接测力法，主要是指通过监测应变方式或采用油压方式直接获得索力，如直接安装在拉索锚头端的压力环式整体索力计、直接在拉索中布设光纤光栅传感器等，采用此方法测试精度高，但其仍处于研发阶段，其使用性能、耐久性和可靠性均没有得到工程的长期考验，而且其安装复杂，不可更换，因直接参与受力，对结构的安全性影响有待于长时间考证，尽管在大桥结构的监测系统中部分已使用，但是仍需慎重考虑。