广明高速公路顺德水道特大桥结构健康监测系统

方精思

（佛山市建盈发展有限公司，广东佛山 528000）

1 项目概述

广明高速公路是广州（番禺）至佛山（高明）高速公路的简称，位于广佛都市圈中部、路线总体呈东西走向。顺德水道特大桥跨越顺德水道，全长2 006.974 m，主跨上部结构采用（115+200+115）m三跨连续刚构，箱梁采用C55混凝土，单幅桥宽16.5 m，采用单箱单室直腹板断面，主桥箱梁采用三向预应力体系，悬臂现浇施工。

2 桥梁结构健康监测系统简介

2.1 系统监测项目

本项目存在大量的过境运营大型货车，为了随时检测桥梁的健康状况、及时掌握桥梁的安全情况，针对本特大桥建立长期的健康检测系统。合理选择系统监测项目是有效对桥梁结构工作状态和安全性进行监测的前提，监测项目的确定应尽可能反映桥梁结构目前的工作状态。本桥长期健康监测系统的监测项目主要根据本桥的结构特性、力学性能分析确定，兼顾桥址处环境状况和项目经费限制等因素。

（1）环境激励。

温湿度监测、交通荷载观测。

（2）桥梁构件响应。

结构应变监测、结构温度监测。

（3）桥梁整体响应。

变形监测、振动监测。

2.2 系统方案

（1）系统总体架构。

系统总体架构如图1所示。

图1 健康监测总系统结构

监测系统由传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构预警与评估系统、数据管理系统和人工检查模块等部分组成。

监测项目和测点数量如表1所示。

表1 监测项目和测点数量

（2）系统软件架构。

本桥健康监测系统软件采用C/S与B/S结构相结合的软件系统架构。架构内应包含计算机与服务器操作系统类软件、系统监测与控制类软件、数据查询与统计分析类软件、健康评估类软件、数据库管理类软件。

（3）系统硬件架构。

健康监测系统采用DCS分层分布式硬件系统架构，由下至上将监测系统硬件设备分为底层传感器与采集设备、中层通信传输设备与电源设备、上层远程监控服务器与工作站。

主桥右幅桥传感器及工作站总体布置如图2所示。

图2 主桥右幅桥传感器及工作站总体布置

主桥左幅桥传感器及工作站总体布置如图3所示。

图3 主桥左幅桥传感器及工作站总体布置

3 监测数据分析

3.1 应力监测

通过对桥梁关键受力截面的应力监测，能够直接了解各测点的真实应力状态，为总体评估大桥的承载能力、运营状态和耐久能力提供依据。通过控制点应力状态的变化判断大桥结构是否出现损伤。以左幅桥LY5下侧的应力测点2017年上半年的监测数据为例进行分析。

测点布置如图4所示。

图4 主桥测点布置（单位：mm）

（1）单日数据分析。

左幅桥主跨跨中截面LY5下侧应力测点在2017年2月6日24 h内连续采集的应力平均值。经测试可知，单日实测应力值变化幅度基本处于合理范围，在24 h内的变化规律与理论分析结果吻合，如图5所示。

图5 左幅桥主跨跨中截面LY5下侧实测应力变化

（2）单月数据分析。

单月数据分析主要对每月大量的应力实测值进行统计，分别获得平均值、最大值、最小值以及最大日变幅等统计参数，反映结构应力总体和长期变化趋势。分析单月数据总体情况，各监测截面应力长期变化规律较合理。

左幅桥主跨跨中截面断面实测应力如表2所示。

表2 左幅桥主跨跨中截面LY5下侧断面实测应力

（3）左右幅桥对比分析。

左、右幅桥主跨跨中截面下侧断面LY5、RY5下侧对应测点的应力实测值如图6所示。

图6 左右幅桥主跨跨中截面应力测值对比

由测试可知，在较长时期的数据对比中，左、右幅桥应力变化规律呈现出明显的相似性，表明两幅桥的结构状态也较为一致。

（4）应力与温度关联性分析。

左幅桥主跨跨中截面下侧的应力实测值与温度实测值在2017年1月27日，于24 h内测试后，通过其连续变化情况可知，结构应力在较长时间上的变化与环境温度变化具有明显相关性。

左幅桥主跨跨中截面应力与温度实测值如图7所示。

图7 左幅桥主跨跨中截面LY5应力与温度实测值对比

3.2 温度监测

桥梁结构处于大气环绕的空间内，会受到各种环境，诸如阳光辐射、周围环境气温变化等多种因素的影响，使得结构内各个部分的温度发生变化，在桥梁结构内部产生了非均匀的温度场。

测点布置如图8所示。

图8 结构温度测点布置图（单位：mm）

（1）单日数据分析。

以左幅桥主跨跨中截面-LY5为例，通过检测该截面26号传感器实测温度值2017年1月18日24 h内的变化情况，最高气温为15.8 ℃，最低气温为13.6 ℃。

（2）单月数据分析。

本监测周期内温度月变化采集统计显示，每个温度监测位置的月平均温度值大体保持同一水平，没有发现异常；每个温度监测位置的月最大日温差值一般在5～8 ℃。

（3）环境温度与结构温度对比分析。

对比分析结构温度以及大气温度变化后可知，混凝土日温差相比环境日温差较小，符合自然规律，说明温度监测传感器工作性能良好，能够正确反映客观事实。

3.3 变形监测

桥梁在长期运营期间的变形监测是一项重要的内容，通过对桥梁的变形、沉降进行观测，可以直观掌握桥梁变形的形态，及时消除安全隐患。

选取主桥主跨1/4、主跨跨中及边跨跨布置挠度测点，每个断面有2个测点，在双肢墩位置箱梁位置布设基准点，每幅桥有2个基准点，单幅桥共10个测点，全桥共20个测点。

主桥挠度测点布置如图9所示。

图9 主桥挠度测点布置（以左幅桥为例）

（1）单日数据分析。

检测左幅桥主跨跨中截面的相对于基准点高差（近似等同挠度）的2017年3月15日单日变化情况，可知单日实测挠度值变化幅度基本处于合理范围。

左幅桥主跨跨中截面单日挠度变化如图10所示。

图10 左幅桥主跨跨中截面单日挠度变化

（2）单月数据分析。

单月数据分析主要对每月大量的变形实测值进行统计，分别获得每个挠度监测位置相对于基准点高差（挠度）的平均值、最大值、最小值和最大日变幅等统计参数，反映结构挠度总体和长期的变化趋势。分析单月数据总体情况可知，各监测截面挠度长期变化规律较为合理。

左幅桥主跨跨中截面月度挠度统计如表3所示。

表3 左幅桥主跨跨中截面月度挠度统计

（3）左右幅桥对比分析。

检测左、右幅桥主跨跨中截面相对于基准点相对高差（挠度）变化情况可知，一天内数据对比中，左、右幅桥挠度变化规律呈现出明显的相似性，表明两幅桥的整体结构状态也较为一致。

主跨跨中截面挠度对比如图11所示。

图11 左、右幅桥主跨跨中截面挠度对比

（4）构件挠度与温度关联性分析。

分析左、右幅桥主跨跨中截面相对于基准点高差（挠度）变化实测值与温度实测值2017年1月27日24 h内的连续变化情况可知，结构挠度在较长时间的变化与环境温度变化具有明显的相关性，如图12所示。

图12 左幅桥主跨跨中截面挠度及温度关联性分析

3.4 振动监测

桥梁结构的自振特性指桥梁结构固有振动频率、振型及各阶振动的阻尼比。

自振特性是结构特性的一种反映，取决于结构本身的材料特性及结构的刚度、质量以及分布规律。在右幅主桥的主跨跨中截面、1/4跨截面、3/4跨截面和边跨跨中截面布置测点，全桥共12个测点。

结构动力特性测点布置如图13所示。

图13 右幅桥结构动力特性测点布置（单位：mm）

频谱分析的目的是将监测的时域数据转换为相应的频域数据，分析获得结构振动的固有频率等自振特性参数。

通过频率分析结果可得桥梁振动监测的实测频率与理论频率对比，如表4所示。

表4 实测频率与理论频率对比 单位：Hz

4 监测结论

4.1 总体结论

本监测周期内，顺德水道特大桥主体结构现有的监测结果未见明显异常，变化规律基本合理，从现有监测数据推断大桥结构整体上处于正常工作状态。

4.2 监测数据

（1）应力监测结论。

①单日、单月实测应力值变化幅度基本处于合理范围，变化规律与理论分析结果基本吻合。

②各监测截面应力最大值和最小值总体上处于正常范围，长期变化规律较为合理。

③左、右幅桥应力变化规律呈现出明显的相似性，表明两幅桥的结构状态也较为一致。

④结构应力在较长时间上的变化与环境温度变化具有明显的相关性。

（2）温度监测结论。

①单日、单月实测温度值变化幅度基本处于合理范围，变化规律与实际相符。

②混凝土日温差相比环境日温差较小，符合自然规律。

（3）变形监测结论。

①单日、单月实测挠度值变化幅度基本处于合理范围，变化规律与理论分析结果基本吻合。

②各监测截面挠度最大值和最小值基本处于正常范围，长期变化规律较为合理。

③左、右幅桥挠度变化规律呈现出明显的相似性，表明两幅桥的整体结构状态也较为一致。

④结构挠度在较长时间上的变化与环境温度变化具有明显的相关性。

（4）振动监测结论。

桥梁结构实测前几阶固有频率与理论计算值比较吻合，表明结构的整体刚度及边界条件与设计状态相符。

5 结语

综上所述，本桥梁结构健康监测系统架构设计合理，使用的设备、元件性能可靠，系统长时间运行正常。通过合理布设测点，系统能够实时获取桥梁不同断面测点位置的结构应力、环境温度及结构变形等数据。工程人员可根据系统监测数据对桥梁结构的健康状况进行诊断，对桥梁的可靠性、耐久性和承载能力进行评估，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。本监测系统及监测方法达到了桥梁健康监测目标。