基于桥梁健康监测的大桥安全性分析

张龙龙，钟山

（江西省公路工程检测中心，江西 南昌 330013）

0 引言

桥梁材料及结构在长期运行过程中，会因气候环境、交通荷载等的作用而发生老化、锈蚀，结构强度和刚度会随运行时间的延长而降低，既影响桥梁结构安全性，还会缩短桥梁结构使用寿命。为此，必须对桥梁结构健康状况进行实时监测，并将其结构安全性及运行稳定性评估纳入桥梁运营日常管理范围。桥梁健康监测指在全面监测和评估桥梁结构及运行状态的基础上，对于桥梁遭遇特殊运行环境、恶劣交通条件以及桥梁运行异常等情况设置相应的预警等级，一旦发生故障预警，健康评估专家系统便会对桥梁结构损伤进行评估，并给出相应的维修养护方案，从而为桥梁结构维护管理及安全运行提供依据。

1 工程概况

某大桥属于国道主干线青银公路和某市绕城高速重叠区域的跨江大桥，其主桥按独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥设计，为倒Y 形混凝土索塔结构，设计高度198m；桥面左右幅分离，设计跨径60m+60m+160m+386m，并为塔墩固结半漂浮体系。主梁为单箱三室扁平钢箱梁结构，包括风嘴和布索区在内的钢箱梁宽45.6m，梁高3.8m。全桥98 根斜拉索主要呈空间双索面扇形形式布置。

该桥梁自2010年建成运营至今，为确保桥梁在服役过程中性能的安全，依据桥梁养护相关要求，应基于桥梁安全监测系统阶段运维数据，尽快构建桥梁结构健康监测系统，并依托大数据技术进行桥梁结构安全性评价，为桥梁结构安全提供可靠保证。

2 桥梁健康监测系统设计

2.1 监测指标及预警

桥梁结构健康监测中监测指标的选择对于监测效果和质量至关重要，大型桥梁通常进行振动监测、荷载监测、外观及强度监测，并通常选择灵敏度较高的参数指标，以进行桥梁结构整体服役状态、结构损伤、抗力衰减等方面的监测，从而进行桥梁结构耐久性、安全性等的评估和预警。该特大桥结构健康监测过程主要为桥梁结构实际运行状况，故基本监测指标应包括桥梁运行环境、结构温度、位移变形、车辆类型、应力应变、斜拉索索力、结构振动响应、疲劳响应等方面。

结合当前国内外先进的桥梁健康监测系统设计思路，该特大桥健康监测安全预警主要设置红色和黄色两个等级。其中，黄色预警主要起到提醒桥梁养护管理单位对桥梁运行环境、桥梁结构、荷载情况等加强关注的作用；红色预警则起到提示桥梁养护管理单位应密切关注桥梁结构响应及荷载，并及时查明预警原因，采取有效措施予以应对，并加强桥梁结构安全评估的作用。桥梁健康监测安全预警的内容除应包括预警等级外，还应包括预警监测值、预警传感器编号及设置等。

根据《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T 1037—2016），各类监测变量预警值必须按照以下规定设定：

（1）桥梁通行车辆总（轴）重大于设计行车荷载的1.5 倍时发出黄色预警。车辆总（轴）重大于设计行车荷载的2.0倍时，发出红色预警；

（2）风速均值最大值大于设计风速0.8 倍时发出黄色预警。风速均值最大值大于设计风速时，则发出红色预警；

（3）最高、最低温度及最大温差分别超出设计值时，发出黄色预警；

（4）桥梁结构应力大于应力设计值0.95 倍时发出黄色预警。桥梁结构应力大于应力设计值，或在连续观测的1 个月内黄色预警次数超出10 次，则发出红色预警；

（5）位移、变形大于设计值的0.8 倍时发出黄色预警。位移、变形大于设计值或在持续观测的1 个月内黄色预警次数超出10次，则发出红色预警[1]。

2.2 监测系统设计

结合该特大桥运行实际及健康监测目的，在选择传感器及监测设备时必须充分考虑精确性、先进性、自动化、耐久性、经济性、可维护性、多冗余度等方面的要求。获取桥梁运行环境荷载、结构响应、局部损伤等信息是该桥梁健康监测系统核心任务，在综合评估监测信息的基础上得到桥梁结构及行车两个层面的安全运行条件，从而为桥梁结构安全高效运行提供技术支持。基于以上要求所建立的桥梁健康监测系统主要由数据采集、传输；安全状态评估；综合安全预警；数据库管理子系统等模块构成。

2.3 测点布置

运用桥梁健康监测系统进行桥梁结构安全监测必须通过传感器系统予以实施，且传感器性能及测点设置情况直接决定着健康监测过程能否顺利展开以及监测结果的准确程度。为达到以上监测目的，该系统必须同时满足两个运行条件：一是依托该桥梁结构特征及系统功能设置传感器测点，同时确保系统性能的可靠性及运行的经济性；二是以桥梁结构宏观量为传感器测点设置的目标，在建立桥梁健康监测系统时必须引入相配套的人工检查制度，完善数据采集，保证桥梁结构健康监测及评估结果的准确。

将GNSS 传感器设置在该特大桥变形敏感位置，以进行桥梁主塔偏位、主梁挠度以及结构对环境荷载和活载的响应状态等的动态监测。GPS15-2、GPS15-3及GPS21-1三个GNSS传感器布置情况详见图1。

图1 GNSS传感器设置立面图

根据该特大桥结构内力分布情况，其56#跨中、3L/4截面、53#跨及54#跨中、主塔截面等受温度及活载影响较大，均属于关键截面，故以以上截面作为主梁应力应变监测截面。扁平钢箱梁顶底板均为主梁截面主要受力构件，测点应设置在其主梁上下表面，同时，结合箱梁结构，还应将2 个测点分别设置在左右箱室，将6 个测点设置在中心箱梁处，将2 个测点分别设置在左右箱梁附近及中央分隔带板梁处，并将2个测点设置在横隔板上下位置，以进行钢箱梁扭转弯矩测量。综上，该特大桥共布设98个应变监测点。为便于进行主梁振动情况监测，得到主梁结构振动频率及振型等数据，还应在关键截面布置振动加速度传感器。

3 有限元分析

3.1 分析模型

根据该桥梁成桥状态及施工运营状况，构建桥梁整体结构有限元分析模型，具体见图2。全桥共包括443 个单元，桥墩、主塔及主梁均采用梁单元，斜拉索则采用桁架单元。边界条件为墩底固结。

图2 桥梁整体结构有限元模型

钢箱梁、索塔及斜拉索等恒荷载均按照断面实际尺寸选取，横隔板和锚箱施加集中应力，纵隔板和风嘴则施加均布力，汽车荷载则根据相关规范从横纵两个方向折减[2]。与活载组合的静风荷载为桥面处风速25m/s，高度为10m 处基本风速设计值为21.2m/s。桥梁结构整体升降温幅度为30～50℃，索塔及塔身温差分别为±10℃和±5℃。

3.2 结构效应

主梁挠度在活载作用下的包络图详见图3，主梁受到单独活载作用后其挠度最大值出现在边跨跨中，取值113mm，挠度最小值则出现在主跨3L/4 位置处，取值-670mm。主塔塔顶向边跨和主跨偏移的最大值分别为190mm和138mm；主梁上缘应力最大拉应力和压应力分别为17.8MPa 和32.6MPa，分别出现在50#桥墩墩顶截面及主跨3L/4 跨截面处。受到活载作用后，主梁下缘拉应力和压应力最大值分别为55MPa 和26.5MPa，分别出现在主跨与共用墩相距58m 截面处及桥塔截面。

图3 主梁挠度在活载作用下的包络图

3.3 变形分析

通过小波滤波法剥离温度效应和活载效应后可以得出活载作用下桥梁主塔塔顶位移响应规律。根据监测结果，监控时域内塔顶主跨侧出现两次预警，通过分析塔顶位移量温度效应的傅里叶变动趋势[3]，得出其变化周期基本与温度变化周期吻合；主塔塔顶结构安全可控且位移恢复能力较好，但活载均值均出现在夜间，故必须加强夜间重载行车监管。主梁挠度在活载作用下随温度呈规律性变动，变动周期约为23h，基本与温度变化周期吻合。结合有限元分析结果，主塔塔顶具备较好的位移恢复能力，刚度良好，结构安全可控；主梁挠度最大达446mm，未超出允许值。

3.4 应变分析

监控过程中，结合结构应变情况分析发现，该桥梁主梁主跨跨中截面底板与顶板相关性受活载作用的影响较小，因受到温度影响，顶板与底板应变均表现为频率0.0451cph 的周期性变化，一个周期约为24h，两者的相关系数取值达78%；在监测过程中，顶板共出现三次预警，且结构应变规律趋于一致，由此可以判断出桥梁结构基本处于安全可控水平。但仍需加强预警测点数据控制，对于超载超限情况必须严加管控，保证结构的安全性。主塔塔底及锚固区域应变均在允许范围内，且应变变动呈周期性变化，其变动周期与温度变动规律高度吻合，结构安全可控。

3.5 索力及模态分析

在监测过程中，拉索索力监测结果均位于预警值范围内，且斜拉索索力在活载作用下具备较好的恢复能力，斜拉索安全系数足够，结构基本处于安全可控水平。该桥梁健康监测系统于2021 年年初建成投运，2021 年夏季7—9 月（温度最高的三个月）典型测点拉索索力监测结果具体见表1。

表1 典型测点拉索索力值

通过分析桥梁加速度传感器时域及频域可以看出，桥梁前三阶固有频率均超出计算频率，且监测期间内并未发生任何改变，结构整体刚度及动力特性均符合设计要求。

3.6 桥梁健康状态综合评估

结合所收集到的桥梁运行状态监测信息，本研究采用成分分析法进行桥梁健康状态综合评估，该方法具有过程简单、实用性强的优势。根据待评估桥梁结构特征以及所自动采集到的桥梁结构运行数据进行评估项目打分，并自下而上逐层进行桥梁结构综合技术状况分数的计算。首先，结合桥梁桥型、监测指标等构建层次评估模型，再通过成分分析法进行权重向量构建，权重的确定应以桥梁结构重要程度及巡检发现的结构缺陷为准灵活调控。通过构建双因素矩阵所确定出的该桥梁结构层级权重指标具体见表2，通过对各指标的评分，可以得出综合评分，具体见表3。

表2 桥梁结构层级权重指标

表3 桥梁结构健康程度综合评估得分

根据成分分析法相关原理，若总分不小于80，则评价结果为优秀，若总分∈[70，80），则评价结果为良好，若总分∈[60，70），则评价结果为合格，若总分在60分以下，则评价结果为不合格。结合以上层次分析法评分结果，该桥梁结构综合评分为86.1 分，则可以判断该桥梁健康状况优异，结构及运行状况安全稳定。

4 结语

当前该特大桥健康监测系统软硬件整体运行良好，根据监测结果，桥梁各监测点应力应变、挠度以及塔顶位移等结构响应周期均较为合理；因受活载的作用，主跨跨中截面顶板先后出现过3 次预警、塔顶活载位移先后出现过2 次预警，其余测点数据均符合规范要求；桥梁关键截面应变数据存在高度相关性，截面刚度也处于良好可控状态。桥梁在长期运行过程中，结构固有频率并未出现明显改变趋势，且结构应变、斜拉索索力、结构模态等参数监测值均未超出阈值范围，桥梁结构受力状态安全。