李景玉，缪庆旭，桑晓玉，孙铁元

(1.浙江温州甬台温高速公路有限公司 温州市 325000;2.招商局重庆公路工程检测中心有限公司 重庆市 400067)

由于桥梁运营期内安全、正常使用的要求，从上个世纪末开始，桥梁结构健康监测便逐渐发展起来[1]。在一些建成的大跨度桥梁上安装了各类的传感器，进行各种数据的监测和纪录，以此保障桥梁的安全运营[2-3]。目前，桥梁健康监测的积极作用已经得到了各界的广泛认可，进行桥梁健康监测和结构评估也是政府部门推动下的必然发展趋势[4]。采用科学、合理的监测手段和尽量经济性的健康系统设计是桥梁监测业界的普遍共识[5]。桥梁健康监测系统运用了传感器[6]、信号采集[7]、数据统计分析[8]等众多理论，这是有效预防灾难性事故、桥梁运营安全的重要保障[9]。

飞云江大桥是甬台温高速公路温州瓯海南白象至瑞安龙头段的重要结构物之一，大桥跨越飞云江，在2002年7月建设完工。飞云江大桥主跨为44m+3×80m+44m五孔连续预应力混凝土变截面箱梁。为确保飞云江大桥的安全运营，通过结构分析，对其进行桥梁健康监测系统设计，并对监测项预警阈值进行设定。

1.1 模型建立

桥梁健康监测系统设计需要对桥梁在荷载作用下结构受力和变形有充分的了解。飞云江主桥结构为44m+3×80m+44m变截面连续梁桥，利用有限元分析软件Midas/Civil对主桥上部结构进行模拟，结构单元选择为梁单元，全桥一共离散为354个单元、355个节点，有限元模型如图1所示。

图1 主桥有限元模型图

1.2 结构受力分析

为掌握桥梁运行阶段受力状态，并为监测项目及测点位置的确定提供依据，对飞云江大桥进行结构受力分析。考虑到不同荷载情况下桥梁结构受力变形的差异，对以下几个荷载工况进行计算分析：工况1：恒载作用；
工况2：恒载+汽车荷载作用；
工况3：恒载+汽车荷载+温度荷载作用。分析得到不同荷载工况下桥梁应力和变形情况。

根据不同荷载工况下的计算分析结果可知，恒载作用是飞云江大桥结构受力和变形的主要因素，汽车荷载和温度荷载对结构受力变形也有较大影响。不同工况下结构变形趋势有一定的相似性，三种荷载工况下结构第2跨～第4跨均有较大的向下竖向位移，最中间跨第3跨跨中截面位置在工况1～工况3作用下竖向位移分别为-20.2mm、-32.2mm、-50.9mm。全桥最大位移在第2跨、第4跨跨中截面位置，工况1～工况3作用下的最大位移分别为-27.6mm、-39.6mm、-64.4mm。由于多跨连续梁的结构特性，结构边跨在全桥荷载作用下有向上的竖向位移，最大向上竖向位移在边跨跨中位置，工况1～工况3作用下最大位移分别为16.8mm、19.4mm、35.7mm。不同工况下全桥各截面最大应力的变化有所差异，但最大应力截面位置都出现在边跨跨中位置，工况3作用下边跨跨中达到最大应力值14.7MPa。

徐变是在持续荷载作用下混凝土结构变形随时间推移而增加的现象，徐变作用对混凝土桥梁结构的受力变形有着很大的影响。由于飞云江大桥已运行年限较久，考虑到其受混凝土收缩徐变的影响，利用有限元模拟成桥20年飞云江大桥运行情况。部分计算分析结果如图2所示。由计算结果可知，收缩徐变作用对结构受力和变形有着很大的影响。在收缩徐变作用下，主梁竖向位移有着显著的增大，中间三跨的竖向位移增大尤为明显，第2～4跨跨中位移从桥梁建成初期的-57.1mm、-54.4mm、-56.8mm分别增大至-163.6mm、146.5mm、163.1mm，最大竖向位移变化为最初变形值的3倍左右。

图2 徐变下主梁挠度

2.1 监测项目及测点布设

根据结构受力变形分析结果易知，应对主梁竖向位移以及各跨跨中截面位置进行重点监测，然后考虑飞云江大桥运行状态、桥型、环境因素，遵循经济性原则，最终确定飞云江大桥健康监测系统的监测项目和测点位置。飞云江大桥健康监测系统监测项包括主梁应变、主梁竖向变形和温湿度。各个监测项测点位置分布如图3所示。各截面应变测点位置及序号编排如图4所示。监测项测点数量与传感器类型如表1所示。

图3 测点位置分布图

图4 各截面应变测点位置及序号编排图

表1 监测项目及测点数量

2.2 系统构成

飞云江大桥健康监测系统由六个子系统组成，分别是传感子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与预警子系统、数据管理子系统、结构状况评估子系统、用户界面子系统。飞云江大桥健康监测系统构成如图5所示。

图5 飞云江大桥健康监测系统

2.2.1传感子系统

传感子系统是监测数据的基础和来源，由各类传感器和一些附属设备构成。目前，国内外的生产厂家众多，传感器型号多样，技术性能有很大差异。因此，在传感器的选择上必须遵循以下原则：

(1)可靠性。监测传感器的精度、量程、灵敏度、频率响应等技术指标符合国家标准和仪器系列型谱的相关要求。

(2)耐久性。选择的传感器需能够在桥址复杂环境下长期稳定工作。

(3)经济性。传感器及其配套仪表具有高性价比和实用性。

(4)可更换性。桥梁的监测期很长，所安装的传感器都有可能面临更换的问题，因此，传感器必须能够更换且满足更换时监测数据的连续性。

2.2.2数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统可以实现各个传感器的数据采集，并将采集的数据信号通过有线或无线的方式传输到数据系统中，这是后续数据分析处理的基础。数据采集与传输子系统主要包括现场设备、虚拟监控中心、网络设备和相关软件四个部分。这四个部分的设计与传感子系统有很大的联系，传感器的输出信号类型决定了采集模块的类型，传感器的布设位置决定了数据采集站的分布，从而进一步影响到采集与传输软件的设计开发，详见表2。

表2 传感器信号分析及采集设备选择

2.2.3数据处理与预警子系统

在桥梁健康监测系统的运行期内会采集大量的数据，随着时间的累积，采集的数据量也是非常巨大的。数据处理与预警子系统由数据处理和预警两个部分组成。数据处理部分主要是实现监测数据的预处理工作，对监测的大量数据进行整理、筛选，再进行统计分析、数据挖掘等。预警部分可以根据监测项目的阈值信息，对异常情况进行在线预警。

2.2.4数据管理子系统

数据管理子系统可以实现桥梁健康监测系统所有相关数据的归档、查询、储存。相关数据主要包括桥梁设计资料、桥梁施工资料、监测数据、结构预警评估数据等。数据管理子系统需达到以下技术目标：

(1)可以实现数据控制、筛选、二次处理。

(2)各类数据的储存工具和场所与数据类型相匹配，具有与采集、预处理、后续处理要求适应的分布式数据储存结构。

(3)支持部分特殊数据的单独储存功能。

(4)必须支持数据的备份和恢复。

2.2.5结构状况评估子系统

结构状况评估子系统是桥梁健康监测系统重要的组成部分，通过对桥梁结构监测数据的分析，确定桥梁的运营状态，判断桥梁是否在安全运营的范围内，对于异常状态和潜在问题存在时，提前告知桥梁相关管理养护人员，进行维修养护工作。结构状态评估子系统要达到的基本目标如下：

(1)具有合理的结构评估方法和标准。

(2)能够提供全面而又规范的定期评估报告。

(3)结构评估结果可以有效帮助到桥梁运营管理养护决策。

2.2.6用户界面子系统

用户界面子系统是实现各类人员与桥梁健康监测系统交互的平台，见图6。利用用户界面子系统可以满足用户的各种需求，对监测数据等内容实时向用户进行展示，并提供特定数据的输入与输出的功能。由于用户界面子系统的功能目的，该系统具有稳定、美观、操作简单、精炼简洁等特点。用户界面子系统所实现的功能主要有以下几个部分：

(1)根据用户需求，向用户提供操作和管理平台账号，使用户能够远程查询监测数据等内容。

(2)根据桥梁监测数据分析结果，生成桥梁评估结果和监测报告等文件。

图6 用户交互平台

桥梁健康监测系统的预警阈值设定是桥梁健康监测系统设计的重要组成部分，各个监测项目预警阈值的设定是否合理对于监测系统的预警准确性有着很大的影响。不合理的预警阈值可能造成资源的浪费，甚至安全事故的发生。通过有限元模拟分析，并结合监测系统前期监测数据确定预警阈值，以此保证预警阈值的合理性。

3.1 有限元模拟

在本文第二章有限元模型的基础上模拟温度和汽车荷载作用，确定全桥应力和挠度变化情况。为确定最合理的预警阈值，尽可能模拟桥梁真实运营情况，温度荷载根据当地气象数据的极值确定，温度荷载为整体升降温15℃，梯度升温为20℃、6.67℃，梯度降温为-10℃、-3.35℃。汽车荷载以最大车道线进行布载，车辆荷载中均布荷载为10.5kN/m，集中荷载为360kN。有限元分析计算得到部分结果如图7所示。

图7 温度和汽车荷载作用下主梁挠度

3.2 阈值设定

根据有限元分析计算结果和部分监测数据，对主梁竖向位移和应变两个重点监测项进行阈值设定。由有限元模拟计算结果可以得到各个监测项测点在温度和汽车荷载作用下的极差，计算分析得到的应变各测点和主梁竖向位移各测点极差结果。从飞云江大桥健康监测系统中提取2022年7月22日至2022年8月21日期间主梁竖向位移和应变监测项各个监测点的全部监测数据，并计算得到两个监测项各个测点的变化极差如图8、图9所示，测点序号编排方式见表1。

图8 应变监测数据

图9 挠度监测数据

由计算结果和监测数据处理结果可知，应变监测项各测点计算极差和监测极差最大值分别是485με、115με，主梁竖向位移各测点计算极差和监测极差最大值分别是65.5mm、13.8mm。总体来说，各个测点有限元模拟计算结果远大于实际监测数值，这种差异主要有两方面的原因，最主要的原因是桥梁实际所受荷载是远小于有限元模拟计算所施加的荷载，有限元模拟时所施加的荷载是按桥梁可能所受最大荷载施加；
另外，由于桥梁实际运营年限较久，材料性能和部分结构的变化，这也使得有限元方法不能完全真实地模拟桥梁实际运营情况。为保证飞云江大桥运营期结构安全，需综合考虑实际监测数据与有限元分析结果，对主梁竖向位移和应变设定预警阈值，参考《公路桥梁结构监测技术规范》(JT/T 1037—2022)和《建筑与桥梁结构监测技术规范》(GB 50982—2014)中报警阈值相关内容，分别基于实测数据和有限元模拟计算结果设定一级预警值和二级预警值，最终确定飞云江大桥健康监测系统各监测项两级预警指标。部分关键测点预警阈值设定如表3、表4所示。

表3 各跨跨中挠度预警阈值

表4 第三跨跨中应变预警阈值

进行桥梁健康监测是保障桥梁运营期结构安全和正常运营的重要措施，也是目前工程界普遍认为的发展趋势。合理、科学、经济的桥梁健康监测系统的设计对于结构监测的发展有着重要的意义。飞云江大桥健康监测系统的设计重点考虑了桥梁本身运营和结构特点，并遵循了科学、合理、经济性等原则，其监测项预警阈值的设定也综合考虑了结构分析结果和前期监测数据。目前，飞云江大桥健康监测系统已在稳定的运行当中，这对于飞云江大桥运营安全、结构状态评估有着重要的意义。

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