【论文精选】山区桥隧群结构安全监测系统研究

摘要

浙江省文成至泰顺（浙闽界）公路为典型的山区高速，类型众多、形式多样、结构复杂，为确保桥梁与隧道的安全运行，保障交通顺畅，提升桥隧结构的科学管养水平，运营单位构建了一个集约高效、技术先进、易于管理、实用经济的桥隧管养平台。

本文介绍了系统的功能目标、架构设计，各监测项的设置思路及技术要求，最后结合系统数据应用实例，从支座滑移、结构动力特性、体外索预应力损失等方面分别阐述了分析数据应用方式。该监测系统具有实时感知、及时预警功能，通过对监测数据的分析，有助于提高对同类型桥隧力学行为规律的认识，提升山区桥隧群的设计和管养技术水平。

一、引言

随着科技创新脚步加快，大数据、互联网、人工智能等新技术与交通运输行业深度融合，桥隧结构安全监测技术也越来越全面和高效。对于国家交通干线控制性工程的山区特殊桥梁隧道群而言，将其纳入新一代国家交通控制网和智慧公路体系，通过结合自动化监测技术及相应结构安全评估技术，达到全天候、全方位了解山区桥隧群运营环境及结构状况的目的，形成高速公路桥隧群智慧监管数字平台，提高管养工作效率以及应急处突能力，数据资源互联互通、共享共用，最终保障桥梁结构在整个设计使用寿命期内的安全可靠运营，并将维护管理成本控制在相对较低的水平，意义非凡。

二、工程背景

浙江省文成至泰顺（浙闽界）公路起于文成县樟台，终于浙闽交界已建的福建省福寿高速友谊大桥附近。主线路线全长55.963km，其中文成段路线长22.604km，泰顺段长33.359km。采用双向四车道高速公路标准，设计速度80km/h，路基宽度25.5m。

根据全线桥梁结构和隧道地质特点，选定跨度较大、结构形式新颖、重要性较高的桥梁和地质情况复杂、长度较长的重要隧道进行监测。结构安全监测系统布点范围为南山大桥（65+120+65m钢波纹腹板连续刚构）、飞云江大桥（4×40m波纹钢腹板工字型钢混组合梁）、葛溪大桥（55+100+55m钢波纹腹板连续刚构组合梁）、珊溪大桥（55+4×100+55m六跨波纹钢腹板刚构-连续组合体系）、浦溪特大桥（4×20+280+4×20m上承式钢管混凝土拱桥+连续梁）、洪溪特大桥（150+265+150m预应力矮塔斜拉桥）6座大桥及巨屿隧道（分体式隧道，左隧道长983m，右隧道长970m）和章后隧道（分体式隧道，左隧道长4252m，右隧道长4233m）。

三、系统功能及设计

（一）系统功能需求

所设计的结构安全系统的主要功能如下：

1.全寿命周期，数字化档案：坚持以“全寿命周期内的监管养护”为目标，通过结构构件的精细离散化，关联监检测数据，建立各桥隧的全寿命期的数字化、信息化档案，实现桥隧结构的精细化养护与管理。

2.综合评估，辅助管养：对桥隧运营环境及关键部位结构响应进行监测并实现安全预警，结合自动化监测与检测的结果，对桥隧的技术状况、宏观受力、耐久性、承载力等进行专项分析，综合评估评价运营期桥隧结构的使用状态、工作性能及发展趋势，为桥隧运营安全以及管养决策提供科学依据和建议，对桥隧损伤、病害及时有针对性地开展主动性、预防性或纠正性的养护维修，实现从被动接受到主动管养的质的转变，从而尽可能维持桥隧良好使用状况，延长桥隧安全使用寿命。

3.实时感知，及时预警：实时“感知结构”，对运营环境、结构响应及车船通行异常状况进行预警，对相应特殊事件进行事前指导、事中分析、事后评估，数据支撑、科学决策、有效监管。

4.数据支撑，验证反哺：积累桥隧实时监测获得的环境荷载、结构响应等大数据，开展深层次、专业性的数据挖掘分析以及理论研究，验证原结构设计和加固效果，寻求规律，解决问题，发挥数据要素的重要价值，反哺提升同类型桥隧的理论分析方法、设计、运营管理养护的科学技术水平，为桥隧安全监测国家及行业规范或标准的制定提供技术支撑和参考依据。

（二）系统架构设计

文成至泰顺（浙闽界）公路桥隧结构健康监测系统平台，总体架构包括主体的结构安全监测子系统、电子化人工巡检管理子系统、综合评估子系统、综合管理子系统、系统管理子系统，系统架构组成如下图所示。

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图1 系统架构组成

1.结构监测子系统主要负责将部署于外场（现场）的各类传感器实时采集的各类信号，进行转换、处理、传输到内场（监控中心）后，进行数据存储、转发、展示和统计分析。从数据流转过程来看，主要由传感器、数据采集和传输、数据处理和控制、数据展示和应用及结构监测预警五个模块构成。

2.电子化巡检养护子系统包含各结构的日常巡检、定期检查、专项检查等养护管理内容，开发配套巡检软件，辅助管养单位根据设定的结构巡检任务及内容，设置人员相关权限、形成有计划、定时、定量、程序化、制度化的结构安全巡检。

3.综合评估子系统为综合运营期安全监测数据与巡检养护结果，对桥隧技术状况、宏观受力、耐久性、易损性、适用性等进行综合评估录入。据此确定下一年度桥隧的管理养护计划与安排，辅助管养人员科学决策，实现全寿命、数字化、档案化评估体系。

4.综合管理子系统是整个系统的基础支撑系统，其目的是将桥隧安全监测、巡检养护、基础知识库等基础数据、流程进行系统化、规范化、统一化的管理和维护，是系统有序运行的基础。

5.系统管理子系统实现针对系统软件平台的自身的后台管理、运维工作，核心功能是软件平台的后台管理，主要面向系统管理员和系统维护人员。

（三）监测项设置思路

根据桥隧所处的地理环境、地质情况及气候环境特点以及桥隧各类构件在结构安全中的重要性、代表性和易损性，以及相关研究，从桥隧结构状态评估的需要和运营养护管理需求出发，设置相关监测项。

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（四）监测项设置及技术要求

监测项目可划分为荷载源和结构静动力响应两大部分。

（1）重要环境荷载监测：

包括环境风荷载、环境温湿度、结构温度、车辆荷载等。

（2）结构动静力响应监测：

包括主梁变形（挠度）、梁端位移、主梁振动、结构局部应力应变、钢混结合面滑移、体外索/斜拉索振动及索力、隧道洞室净空收敛、衬砌应力等。

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（五）结构安全监测预警体系

预警体系主要作用是在结构实时监测过程中对发生的可能威胁到桥隧结构运营安全的可变荷载以及结构对其的响应指标（主梁变形等）进行预警，提供桥隧在特殊气候、交通条件下或桥隧营运状况异常时所触发的预警信号，提醒桥隧管理养护人员关注结构的运营与安全状况，及时启动相关应急预案。

在计算机终端软件界面上以醒目的图形方式表示预警状态报警方式，按照从整体到局部，从当前到历史划分，共有六种：监测信息总览、实时预警卡片、历史预警信息查询、监测项数据列表、声光报警、报警信息推送。

四、系统数据应用实例

（一）支座滑动性能相关性分析

理论上除台风等恶劣天气外，支座的位移与环境温度相关性较大，通过对支座位移与环境温度进行数据相关性分析，可从侧面反映支座的滑动性能是否正常。采用线性回归分析方法研究梁端位移与温度的相关性，温度数据选取自桥面温湿度仪数据，线性回归分析的拟合方程为：

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其中x为温度，f(x)为位移， 以下为某桥支座位移与温度相关性绘图。

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图2 左幅支座位移与温度相关性

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图3 右幅支座位移与温度相关性

通过相关性分析可了解支座的位移值与温度相关性，可以间接判定支座的滑动性能。

（二）结构动力特性专项分析

结构动力特性是反映桥梁结构实际受力状态的重要指标：在其他条件不变的情况下，若发现桥梁振动频率降低，则说明桥梁的整体刚度退化。

对于大跨度桥梁而言，主要利用环境激励，采用基于环境激励的模态参数识别方法，桥梁结构的振动响应由安装在桥上各部位的振动传感器测得。

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图4  某桥结构动力特性分析模型

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图5  频率峰值

通过监测系统实测模态分析结果与成桥荷载试验、历年模态分析结果情况对比，可了解桥梁整体动力特性情况，宏观受力状态稳定与否，结构整体受力性能有无退化。

（三）体外索预应力损失专项分析

根据相关研究，本次体外索索力测试方法为振动频率法。通过对现场采集的振动信号进行谱分析后，得到体外索自振频率，然后综合考虑拉索边界条件、垂度、阻尼器、抗弯刚度等因素后，对体外索索力进行计算。索力计算公式：

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图6 某桥体外索振动时程及基频识别

体外预应力索是波形钢腹板连续刚构桥的重要受力组成部分，体外索在运营过程中受车辆荷载影响，会产生振动，同时在长时间运营过程中会出现预应力损失等情况。

针对这类结构特点，在体外索上布设索力加速度计可用于监测体外索的振动情况，通过频谱分析可或得体外索的索力变化情况，通过实时识别体外索索力与设计张拉索力对比，可了解长时间运营过程中出现的预应力损失等情况。

五、结论

（1）深入分析了桥隧群结构安全监测系统的功能需求，合理设计了结构安全监测得整体架构，划分了五大子系统，并介绍了各子系统的功能及作用。

（2）结合监测桥隧结构物特点，详细阐述了各监测项的设置思路及技术要求，并明确了预警体系，该结构监测系统可实现实时监测，及时预警的目的。

（3）结合系统数据应用实测，从支座滑移性能分析、结构动力特性分析、体外索预应力损失分析阐述了数据应用方式。通过系统数据分析，可实现判定支座滑动性能、结构整体受力性能有无退化以及体外索预应力损失情况，达到指导养护的目的。

作者：王晓微，浙江交投高速公路运营管理有限公司
           徐文诚，中交公路规划设计院有限公司

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