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崇啟大橋結構健康監測係統（tǒng）的設（shè）計和應用
更新（xīn）時（shí）間（jiān）：2021-04-10 17:51
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　  【摘 要】本文詳細介紹了崇啟大橋結構（gòu）健康監測係統的（de）組成，評述了結構健康監測係統確定的關鍵問題。運營期的監測數據表明了結構健康監測係統的有效性，為今後（hòu）大型橋梁結構的健康監測提供借鑒。 

　　【關鍵（jiàn）詞】大橋（qiáo）；結構；健康監測 
　　橋梁經過長期使用難免會發生各種各樣的結構損傷，損傷（shāng）的原因有（yǒu）地震、洪水等自然災害，也有車輛（liàng）超（chāo）載、車禍、船舶（bó）撞擊等人為因素，以及腐蝕、氧化、風雨、振動等（děng）環境因素。隨著大跨橋梁設（shè）計的輕柔化以及結（jié）構形式與功能（néng）的（de）日趨複雜化，為了把握橋（qiáo）梁結構在運期間（jiān）的承載能力、營運狀態（tài）、安全（quán）性和耐久性，需要建立橋梁結構健康監測（cè）係統[1]。橋梁結構健康監測係統是在橋（qiáo）梁內部關鍵部（bù）位安裝各種類型（xíng）的傳（chuán）感器來對橋梁的整個使用壽命期間的結構（gòu）健康狀況（kuàng）和性能進行監測（cè）的一種完整的在線實（shí）時監測係統。其基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大（dà）橋在特殊氣候交通條（tiáo）件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋（qiáo）梁維護維修（xiū）與（yǔ）管（guǎn）理決策提供依據和指導。 
　　1 工（gōng）程概況（kuàng） 
　　上海崇（chóng）明至江蘇啟（qǐ）東（dōng）長江公（gōng）路大橋（qiáo）（崇啟大橋）全線采用雙向六車（chē）道高速公路標準建設，主橋為雙幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續梁橋，引橋為60×50m節段（duàn）梁（liáng）拚裝混凝土連續梁橋和20×30m現澆混凝土（tǔ）連續梁橋，其主橋聯長和單跨跨徑均為國（guó）內同類橋型第一（yī）。為確保崇啟大橋施工及營運期的安全性和（hé）耐久性，崇啟大橋建立了橋（qiáo）梁結構健康監測係統。 
　　2 係統構成 
　　崇啟大橋結構健康監（jiān）測係統設計主要從三個方麵考慮：結構安全監測、運營期養護、驗證橋梁結構（gòu）設計，以主橋為主、兼（jiān）顧50m跨引橋，重點關注主橋風場特性、結構應變、振動、位移、鋼結構疲勞和（hé）引橋體外（wài）預應力束（shù）索（suǒ）力（lì）等。其健康監測係統（tǒng）包（bāo）括（kuò）以下（xià）四個部分：①傳（chuán）感器子（zǐ）係統；②數據采集與傳輸（shū）子係統（tǒng）；③數據管理與控製子係統（tǒng）；④結構健康預警與（yǔ）評估子係（xì）統。 
　　這四個子係統構成（chéng）了崇啟大（dà）橋結構健康監測係統，具體工作步驟如（rú）下（xià）：①傳（chuán）感（gǎn）器子係統的各傳感器在線拾取大橋關鍵部位的信號；②將采集到的傳感器信號轉換（huàn）成數字信號存儲在本地工業用計算機內，同時通過計算機（jī）光纖網絡傳輸到數據處理與管理子（zǐ）係統；③由計算機係統完成數據的後處理、歸檔、顯（xiǎn）示（shì）及（jí）存儲；④結構健康評估係統根據監測係統送來的數據（jù）進行分析、統計（jì）、閾值判別給出（chū）評估意見及（jí）報警信息，並（bìng）為養護（hù）工作提出建議。 
　　2.1 傳感器子係統 
　　崇啟大橋結構（gòu）健（jiàn）康監測係統監測對象分為2類9項：①荷（hé）載監測：風、大氣溫濕度以及結（jié）構溫度、路麵溫度、交通荷載；②結構響（xiǎng）應監測：加速度（主（zhǔ）梁振動、地震船撞）、主（zhǔ）梁撓度、應力應變、支座及伸縮縫位移（yí）、體外預（yù）應力索索力。 
　　結構（gòu）健康監測係統設計的關鍵是布點（diǎn）設計，崇啟大橋設風速測點（diǎn）2個，溫濕度測（cè）點8個，結構溫度測點72個，伸縮縫位移測點8個，撓度測點9個，應變測點72個，振動測點26個（gè），地震及船撞測點21個，體外索索（suǒ）力測點16個。 
　　（1）風荷載監測 
　　和普通的混凝土梁式橋不同，大跨徑鋼連續梁橋由於剛度較小、自重較輕（qīng），在風荷載作用下，可能產生風（fēng）致振動。崇啟大橋（qiáo）在（zài）實際運營中，需要實時監測風荷載的影（yǐng）響，並分析評估大橋的結構響應。 
　　（2）空（kōng）氣溫濕度及結構溫（wēn）度監測 
　　空氣溫濕度及結構溫度變化是橋梁的重要（yào）荷載源之一，常（cháng）引起大橋的變形和橋梁線（xiàn）形的改變（biàn），溫度變化對混凝土構件及鋼構件有很大（dà）的影響（xiǎng），是監測的重要內容。崇啟大橋主橋為鋼連續梁橋，更需要監測鋼箱（xiāng）梁內的溫濕度。 
　　（3）結構振動監測（cè） 
　　橋梁結構的受損和安全性降低主要是由於橋梁主要構件和結構的疲勞損傷的累（lèi）積結果，而橋（qiáo）梁結構疲（pí）勞損傷主要是由於動荷（hé）載作用（yòng）下的交變應力作（zuò）用的結果。崇啟大橋結構健康監測（cè）係統實時監測大橋主橋主梁及主墩（dūn）各（gè）部位在風、交通、地震等作用下引起的振動加速度響應，評估結構的整體動力特性（xìng），為橋梁結（jié）構整體健康狀況評估、驗（yàn）證大橋設計理論（lùn）及運營管（guǎn）理提供依據。 
　　（4）應力應變監（jiān）測 
　　應力監測的目的是了解在交（jiāo）通荷載、風荷載（zǎi）、溫度荷載及地震（zhèn）、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構件的應變、應力情況（kuàng），為評價結構工作狀態及疲勞壽命提供依（yī）據。 
　　（5）支座、伸縮縫（féng）位移監（jiān）測 
　　崇啟大橋主橋中間墩采用墩梁固（gù）結，其他墩設（shè）置縱向滑動支座。健康監測係統監測主橋主梁的縱、橫向位移（yí），為評估風荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據。同時橋梁進入運營階段，伸縮縫（féng）是易於損（sǔn）壞的構件，實時（shí）監測伸（shēn）縮縫處（chù）的位移，能夠了解伸縮縫處變化情況。由於主橋主梁是一個整體，為提高效率節省資源，支座位移與伸縮（suō）縫位移合並監（jiān）測。 
　　（6）撓度（dù）監測 
　　崇啟（qǐ）大（dà）橋結構健康監測係統實時監測大橋（qiáo）的主梁幾何（hé）線形及其變（biàn）化，研究撓度變化（huà）與環境變化（風、溫度、交（jiāo）通荷載）的關（guān）係，為大橋工作狀態動（dòng）態顯示及結構健康評估提供資料。 
　　（7）體外索索力（lì）監測 
　　崇啟大橋引（yǐn）橋水中段采用預製（zhì）節段整跨拚裝50米連續梁橋，其體外預應（yīng）力束（shù）工作狀態使其（qí）正常使用的關鍵所在，通過加速度傳感器使用（yòng）振（zhèn）動法（fǎ）測量（liàng）索力能夠較準確地測（cè）量出體外（wài）索索力，從而達（dá）到實時掌握體外索拉力情（qíng）況，為評估各（gè）構件（jiàn）的工作狀況（kuàng）提供依據（jù）目的。 
　　2.2 數據采集與傳輸子係統 
　　數據采（cǎi）集與傳輸（shū）係統負責傳感（gǎn）器信號的采集、調理、預處理、顯示、傳輸和保存等。數據采集與傳輸子係統由數據采集單元（工作外站）和數據傳輸網（wǎng）絡（luò），以（yǐ）及（jí）數據采（cǎi）集與傳（chuán）輸軟件組成。 
　　2.3 數據管理與控製子係（xì）統 
　　崇啟大橋結構健康監測係統軟件采用C/S（客戶機/服務（wù）器）結構，中央數據庫采用Oracle，監測係統應用程序（xù）的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。 
　　2.4 結構健康預警與評估子係統 
　　崇啟大橋結（jié）構健康評（píng）估係統目前主要分為綜合評估以及（jí）監測評估兩（liǎng）部分（fèn）。綜合評估主要是對大橋（qiáo）日常人工養護所提供的數據並且結合實時健康監（jiān）測（cè）數據，根（gēn）據《公路橋梁技術狀況評定（dìng）標準》（JTGT H21-2011）進行相應評估打分，最後以分數形式表示橋梁養護狀態。 
　　“崇啟大橋結構健（jiàn）康監測（cè）評估”通（tōng）過對大橋的風荷載、大氣溫濕度、結構溫度（dù）、撓度、支座位移、體外索索力、地震船撞、應變等監測數據（jù）進行計（jì）算最終以百分製（zhì）的分數形式直觀提供給（gěi）用戶。 
　　3 結（jié）語 
　　崇啟大橋根據自身結構的（de）特點，建立（lì）了結構健康監測係統，實現了實時監測與狀態評估。目前，該係統已運行一年多時間，在運行期間，運（yùn）營單位定期對係統、外場設備進行分析、檢測及維護，按（àn）月出具崇啟大橋結（jié）構健康監測數（shù）據月（yuè）報，為崇啟大橋提供了大（dà）量的監測數（shù）據。同時結構（gòu）健康監測（cè）係統的監測數據也表（biǎo）明了（le）係統的合理性、可行性和大橋的（de）安全可靠性。 
　　橋梁結（jié）構健康監測係統涉及土木工程、力學（xué）、測試技術、計算機、圖形學、通（tōng）信等多門學科，隨著係（xì）統和網絡技術（shù）的不斷提高、完善和研究內容的不斷深化，係統的自動化程度將不（bú）斷（duàn）提高，最終（zhōng）可以實現一整（zhěng）套完善的橋梁結構監測與評估（gū）報警係（xì）統，從而提高橋梁運營期的結構安全。 
　　參考（kǎo）文獻： 
　　[1]Wang BS，Liang XB，Ni YQ，et al.Comparative study of damage indices in application to a ling2span suspension bridge [A].In：Ko J M， Xu YL，eds. Proceedings of the Interna2 tional Conference on Advances in Structural Dynamics[C].Hong Kong：the Hongkong Polytechnic 
　　University，2000.1085 1092. 
　　[2]連啟濱，現有橋梁結構（gòu）的安全監（jiān）測與評估技術[J].公路，2002（9）. 
　　[3]韓大建（jiàn），謝（xiè）峻.大跨度橋梁健康監測技術的近期（qī）研究發展[J].交通運輸工程學報（bào），2002.
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