中小跨径桥梁健康监测系统设计及应用

张 欣，潘 玲，樊 锋,林宏磊

(1.广东交科检测有限公司，广州 510550；2.广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

近年来我国交通运输事业快速发展，公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就。据2021年交通运输行业发展统计公报[1]，至2021年末，全国公路桥梁96.11万座，其中特大桥梁7 417座、大桥13.45万座、中小桥81.92万座，中小跨径桥梁占比约85%。在役中小跨径桥梁在长期荷载作用下会出现结构损伤及承载力下降，如何保障基数庞大的中小跨桥梁的安全运营，是管理单位面临的重要课题之一。

目前，中小桥主要采用日常巡查和定期检测的方式进行维护管理﹐这两种方式均为人工监测方法，受限于检测人员的专业知识水平和检测技术手段，且桥梁部分结构性病害不易发现，如预制梁之间的铰缝损伤等。此外，桥梁定期检测周期一般为2～3年，桥梁信息获取滞后，检测情况难以量化，无法实时跟踪病害的发展状况。随着这些问题的出现，桥梁结构健康监测技术越来越受到桥梁管理者的重视。

国内较多的特大桥梁已安装了桥梁健康监测系统进行结构状态实时监测，但由于成本的限制，健康监测技术在中小跨径桥梁方面的研究及应用较少，已有成果大多针对某一特定桥梁，缺乏整体性、规范性的指导原则，尚未建立科学、统一的设计标准[2-4]。因此，本文从中小跨径桥梁的监测范围、监测内容、软硬件开发等方面进行探讨，开展中小跨径桥梁监测系统研究，为中小桥梁健康监测系统的设计及应用提供经验参考。

1 监测范围

中小跨径桥梁数量巨大，监测系统不可能大面积覆盖。基于经济性与实用性的考虑，必须筛选出有监测需求的桥梁，建议重点监测以下桥梁：

(1)结构特殊的中小桥。该类桥梁结构受力复杂，容易发生安全事故，如T构桥、大悬臂盖梁、长悬臂翼缘板箱梁桥(悬臂长度≥2.5m)、独柱墩桥梁等。

(2)技术状况特殊的中小桥。将技术状况等级为3类、4类且需要跟踪观测的在役桥梁，以及经过评定需要进行结构监测的桥梁，纳入监测范围。

2 监测内容

《公路桥梁结构监测技术规范》(JT/T-2022)分别规定了主跨跨径≥500m的悬索桥、300m的斜拉桥、160m的梁桥、200m拱桥的监测内容，其中悬索桥应选监测项25项，斜拉桥应选监测项21项，梁桥应选监测项8项，拱桥应选监测项16项。中小跨径桥梁的监测内容不应追求大而全，应根据桥梁结构特点、技术状况及特殊需求确定相关监测内容，充分体现针对性、实用性及经济性。

2.1 结构特殊的中小桥

2.1.1 T构桥

悬臂端的下挠、挂梁位移是T型刚构桥最常见的病害类型。此外在挂梁横向变形的撞击作用下，防落梁的挡块装置也易出现开裂、功能缺失等状况，建议T构桥主要监测内容及部位见表1。

表1 典型T构桥监测项目

2.1.2 大悬臂盖梁

大悬臂盖梁为深受弯构件，在荷载作用下其受力状态与普通梁有较大区别，构件同时存在受压、受拉及受剪，正截面上的应变分布不符合平截面假定[5]。采用实体单元建立大悬臂盖梁的有限元模型进行分析，表明大悬臂盖梁悬臂端根部为结构应力响应最大的位置，是运营阶段监测的重点，建议大悬臂盖梁监测的内容及部位见表2。

表2 典型大悬臂盖梁监测项目

2.1.3 长悬臂翼缘板箱梁

建立悬臂翼缘板箱梁空间有限元模型，对结构运营过程的受力状态进行分析。从汽车最不利偏载作用下的墩顶、跨中应变云图可以看出，翼缘板最不利位置为腹板对应的位置。从目前国内长悬臂翼缘板连续箱梁的运行现状可知，箱梁桥在翼缘板处易开裂，建议长悬臂翼缘板箱梁桥的监测内容及部位见表3。

表3 典型长悬臂翼缘板箱梁监测项目

图2 典型长悬臂翼缘板箱梁有限元模型

2.2 技术现状特殊的中小桥

该类桥梁的监测内容应以结构性病害为导向。通过对历年桥梁结构物定期检查报告的梳理，部分中小桥桥梁运营时间长、交通荷载大、结构病害较多。主要病害为：

(1)等截面箱梁开裂。

(2)对于装配式混凝土桥梁，整体连接型病害突出。如小跨径多板体系的铰缝破损、脱落、渗水有发展为单板受力倾向，在重载交通量大的路段较易出现。

(3)出现较多结构性裂缝，如底板横裂、腹板竖裂/斜裂，存在结构安全隐患。

(4)支座偏位及支座变形过大。

(5)高墩倾斜现象。

(6)基础不均匀沉降。

当桥梁出现上述病害时，会影响桥梁的安全性及整体稳定性，必须实时跟踪病害发展情况，必要时采取相应措施进行维修加固与更换，从而保证桥梁的安全运营。

此外，部分运营时间较长的中小跨径桥梁采用粘贴钢板、施加体外预应力等加固措施来提高结构的承载力，有必要对该类桥梁的加固效果进行监测，掌握结构加固后的受力状况。

3 监测系统方案设计

3.1 硬件

3.1.1 硬件设计原则

(1)低功耗：中小桥梁投资额有限，在硬件设计上首先必须考虑经济性。选择低功耗传感器及采集系统硬件设备，同时自行研发部分低功耗、低成本、通用化设计的硬件设备，降低系统成本。

(2)经济性：中小桥系统造价较低，设备的选择上不能一味追求高精度，在满足数据分析需求的前提下，选择精度合适的传感器。此外，传感器的精度应与数据采集及传输系统相匹配。

(3)可靠性及稳定性：设备能在高尘、高湿、高低温变化、高腐蚀性环境等恶劣环境中连续、不间断地采集数据并保证测量准确及长期稳定，传感器的温漂、时漂、抗电磁干扰能力等指标应满足技术要求。

(4)可更换性：传感器使用寿命一般为5～10年，桥梁按照100年设计年限，监测期内几乎所有设备都面临更换问题，因此设备选型应充分考虑后期更换的便捷性。

3.1.2 硬件采集传输方案

特大桥监测内容全面，数据海量，现场各类监测数据一般通过光纤网络上传至现场服务器，服务器进行数据预处理后将特征数据通过无线网络远程传输至云平台。强大的服务器能确保系统的稳定性、高性能计算和用户数据的安全性，但高性能服务器价格昂贵且功耗较大，并不适合在中小桥中长期推广应用。

针对中小桥低功耗的传输需求，有必要定制研发一款集采集、处理及传输一体化的终端，采集设备内制一台小型嵌入式工控机，实现数据的集中采集、预处理与远程传输。该设备应具有功耗低、传输速度快、抗干扰能力强、可灵活扩展等特点。

3.2 软件系统

软件是桥梁监测系统中的顶层部分，负责数据分析、安全评估、设备管理等功能。监测软件的优劣直接决定了系统的可用性与易用性，是整个系统的关键。

综合考虑经济性与实用性，建议中小跨径桥梁不设监控中心，直接接入集群式监测软件平台，实行统一维护管理。

3.3 供电系统

供电系统应考虑经济性和稳定性，当桥面附近有供电点(收费站、视频监控门架等)且距离桥址不大于600m时，宜采用供电点对系统供电。当供电点距离桥址大于600m时，线缆敷设成本较高，建议采用太阳能对系统供电。太阳能供电应参照当地日照条件，满足连续10d阴雨天情况下系统具备不间断供电的能力。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

某桥梁为先简支后连续刚构T梁，分离式双幅桥，跨径组合为(3×25m+3×25m)，全长156m，左、右幅桥1#、2#墩均设置墩梁固结。该桥在L1#、L2#、L5#跨T梁腹板存在较多竖向裂缝，跨中附近较为密集。

图4 工程实例桥梁

4.2 监测系统

4.2.1 监测内容

(1)该桥为多梁体系，其横向连接的作用将影响到梁板间的受力分配，单片梁的内力过大会引发自身安全问题，有必要进行结构横向整体性能监测。

(2)该桥T梁腹板上存在开裂的问题，有必要进行结构裂缝监测，掌握桥梁裂缝发展情况。

根据桥梁结构特点，结合该桥梁技术现状确定监测内容(表4)。

表4 监测目的与内容

4.2.2 测点布置

4.2.2.1 应变监测点

本文选择病害相对较为严重的第1～2跨进行应变实时监测。应变监测设置三个截面，位于第一跨、第二跨跨中以及第二跨靠近1#墩的墩顶，如图5所示。

图5 应变监测截面

每个截面布置13个光纤应变传感器、5个光纤温度传感器，应变测点沿截面布置方案如图6所示。

图6 应变测点沿截面布置方案

4.2.2.2 裂缝监测点

采用光纤光栅应变传感器跨缝布设对裂缝宽度进行监测，标距长度为110mm，全桥共布设6个传感器，测点布置如图7所示。

图7 裂缝监测测点布置

4.3 监测数据分析及评估

4.3.1 应变

图8为应变瞬时变化曲线，可以看出,重车过桥时会引起结构应变突变，车辆荷载引起的梁底应变可达20με，同一截面底板应变反应具有一致性。

图8 应变瞬时监测数据

图9为应变长期监测数据变化曲线，可以看出，结构应变随温度会发生规律性的波动，具有周期性变化特征。监测数据表明应变未发生持续增大或变小的现象，桥梁运行状态正常。

图9 应变长期监测数据

4.3.2 裂缝

图10为裂缝瞬时监测数据变化曲线，可见在长期车辆荷载反复作用下，裂缝长期处于拉压循环状态，车辆荷载会引起120με，折合成裂缝宽度为0.013 2mm。

图1 典型大悬臂盖梁有限元模型

图10 裂缝瞬时监测数据

图11为裂缝长期变化曲线，可以看出，因温度作用引起裂缝出现张开或合拢的现象，日温差引起裂缝最大开合量接近500με，经过换算裂缝宽度变化可达0.055mm。目前裂缝宽度暂未超过规范限值也未出现持续扩展的现象，但在长期荷载作用下，裂缝势必会继续发展，建议对其长期监测并实时跟踪裂缝的变化情况。

图11 裂缝长期监测数据

4.3.3 结构横向整体性

4.3.3.1 结构横向协同工作性能指标

定义相邻梁底动应变相关系数作为梁桥横向协同工作性能指标[6-7]，指标系数越接近于1，说明各梁底动应变相关性强，各片梁间连接状况好，结构整体性能优。

式中：Cov表示协方差；εi、εj为监测得到的第i、j片梁梁底横向应变的时间序列，i、j=1,2…,n;n为梁总数；D表示方差。

4.3.3.2 结构横向协同工作性能评估

图12和图13表示计算整个ρij矩阵的结果，可以看出矩阵的主对角线均为1(ρ11,ρ22,…,ρ77)，而与对角线相连的ρ12,ρ23,…,ρ67等代表了相邻两片梁之间应变变化的相关性，均接近于1；两片梁距离越远，指标系数值越小，两者结构响应的相关性越小。

图12 指标系数矩阵

图13 指标系数矩阵三维

为避免偶然因素的干扰，本文选取1月～6月每个月13日全天的数据进行计算，计算结果见表5和表6。可以看出，用于评价各相邻梁之间联接相对刚度的指标系数除C截面ρ23略微小于0.8外，其余系数值普遍均处于0.80～0.95之间，表示相邻两片T梁的受力较为均匀，桥梁横向的整体性能良好。

表5 A截面指标系数计算值

表6 C截面指标系数计算值

5 结语

(1)目前桥梁健康监测的研究与应用主要集中于特大型桥梁，中小跨径桥梁健康监测方面的研究成果不多，现行健康监测规范也不太适用于中小桥梁。本文开展了中小桥梁健康监测系统的设计，并进行了实桥验证和应用，对某连续刚构T梁桥的监测系统进行设计与实施，基于实时监测数据对桥梁横向整体连接性能进行了评估。

(2)本文从中小跨径桥梁监测范围、监测内容等方面进行探讨，针对特殊结构或特殊现状中小桥的特点，分别给出了相关的监测建议，使中小桥的健康监测更具针对性。

(3)考虑到中小桥分布范围广、养护经费少等因素，本文从硬件、数据采集与传输、软件、供电等方面对中小桥监测系统进行了针对性设计，可有效降低系统建设和运营成本，提高管养资金的使用效率。