1 橋梁概況
圖1 安穩(wěn)大橋主橋概貌
安穩(wěn)大橋主橋跨徑組成為122m+210m+122m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主墩采用雙薄壁墩身，樁基礎(chǔ)，橋臺采用砌石圬工重力式橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)。
主橋梁體采用單箱單室三向預(yù)應(yīng)力變高度箱梁。箱頂寬22.5m，底板寬11m，翼緣板懸臂長5.75m，箱梁頂板設(shè)置2%雙向橫坡，橋面縱坡3.4936%。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.0m，箱梁根部梁高13.0m，其間梁高按半立方拋物線變化。箱梁腹板在墩頂范圍內(nèi)厚120cm，從箱梁根部到10#梁段腹板厚70cm，從11#梁段至20#梁段腹板厚60cm，從21#梁段至37#梁段腹板厚50cm。每段箱梁的腹板上設(shè)有抗剪齒口。箱梁底板除0#塊梁段為150cm外，其余各梁段底板從箱梁根部截面的120cm漸變至中跨跨中及邊跨支點(diǎn)截面的32cm。主橋下部結(jié)構(gòu)1#、2#主墩均為雙薄壁墩，1#墩墩身厚2.8m，兩薄壁間凈距6.4m,2#墩墩身厚2.0m，兩薄壁間凈距8.0m。主橋橋墩承臺厚度均為4.0m，基礎(chǔ)采用四排16根直徑2.3m樁基礎(chǔ)。
圖2 安穩(wěn)大橋橋型布置圖
2 橋梁病害及維修加固情況
大橋于2007年進(jìn)行了檢測，根據(jù)病害情況進(jìn)行了維修加固設(shè)計(jì)及施工，具體情況如下：
病害情況：中跨跨中梁段混凝土強(qiáng)度偏低；頂板與底板混凝土的勻質(zhì)性較差，且關(guān)鍵截面關(guān)鍵部位的應(yīng)力較大；腹板混凝土的勻質(zhì)性較差；中跨跨中底板及橫隔板等位置存在裂縫。
加固情況：鑿除中跨跨中底板質(zhì)量較差混凝土，清洗結(jié)合面，種植鋼筋，澆筑改性環(huán)氧混凝土修補(bǔ)；對存在病害的梁段缺陷區(qū)域采用微膨脹水泥砂漿或C55自密實(shí)聚丙烯晴混凝土進(jìn)行修補(bǔ)后，在底板頂面、底板底面、腹板外側(cè)、翼緣板底面等局部區(qū)域縱向粘貼鋼板加固；在箱梁外側(cè)腹板局部粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)；在全橋橫隔板上粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)；對其它裂縫均采用灌縫封閉處理。
3 健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立及健康狀態(tài)評價(jià)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個以工程結(jié)構(gòu)為對象，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，為工程養(yǎng)護(hù)管理提供數(shù)據(jù)及安全評估的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，它實(shí)時監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境、荷載等因素以及在這些因素作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并能有效地提供工程養(yǎng)護(hù)管理的科學(xué)依據(jù)，顯著提高工程的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保工程結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營、預(yù)診斷病害和延長工程使用壽命。
通過以上內(nèi)容，建立安穩(wěn)大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立總體來說按照以下幾個步驟來實(shí)現(xiàn)：
（1）前期計(jì)算處理：基于該橋的竣工圖紙進(jìn)行計(jì)算分析，掌握該橋的可能破壞形式，獲得關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)分析數(shù)值，為傳感器的類型、數(shù)量和精度的選擇提供依據(jù)；
（2）現(xiàn)場檢測：通過對該橋梁的現(xiàn)場檢測，掌握橋梁的基本技術(shù)狀況，便于對已存在的或發(fā)生可能較大的結(jié)構(gòu)缺陷和病害，進(jìn)行有針對的健康監(jiān)測；
?。?）監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在以上兩步的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬投入的系統(tǒng)造價(jià)進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器選擇和合理布置的設(shè)計(jì)工作；
?。?）系統(tǒng)的搭建：按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行系統(tǒng)的安裝，及保護(hù)措施的建設(shè)；
?。?）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測數(shù)據(jù)的采集。
通過以上步驟，得到原始的采集數(shù)據(jù)，將自動持續(xù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并將長期和定期監(jiān)測的數(shù)據(jù)和損傷的發(fā)展趨勢進(jìn)行對比分析及預(yù)測，評估損傷的危險(xiǎn)程度，依據(jù)評估的結(jié)果對橋梁主跨結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，為大橋后續(xù)的養(yǎng)護(hù)、維修及加固提供可靠的資料。
4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
為了解結(jié)構(gòu)的理論受力狀況，采用橋梁有限元綜合計(jì)算程序?qū)Υ髽蜻M(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合橋梁目前的病害及加固情況，為合理的選取健康監(jiān)測的觀測點(diǎn)及觀測斷面提供依據(jù)。主橋結(jié)構(gòu)離散圖見圖7。
圖7 結(jié)構(gòu)離散圖
計(jì)算結(jié)果表明，正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)主要控制截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，主橋控制截面的最小正應(yīng)力為1.46MPa；承載能力極限狀態(tài)，主橋中跨跨中、邊跨跨中及墩頂截面的承載能力均滿足規(guī)范要求。
5.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 健康監(jiān)測方法的選取
考慮到本橋成橋后運(yùn)營時間較長，環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故，故需要建立和發(fā)展一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，對大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況，修復(fù)和控制其損傷，從而延長期壽命。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一門跨越結(jié)構(gòu)技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)及計(jì)算機(jī)分析技術(shù)的綜合學(xué)科。通過采用健康監(jiān)測手段，對橋梁運(yùn)營安全進(jìn)行監(jiān)督，同時收集重要的結(jié)構(gòu)荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)相關(guān)信息，對橋梁養(yǎng)護(hù)維修工作進(jìn)行指導(dǎo)，有著特殊的重要性和必要性。
橋梁結(jié)構(gòu)作為一種大尺寸、復(fù)合材料組成的復(fù)雜受力系統(tǒng)，對其所有的性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時安全評估需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測，存在著一定的技術(shù)難度，且經(jīng)濟(jì)投入巨大，同時健康監(jiān)測技術(shù)本身目前在海量數(shù)據(jù)處理和高精度損傷識別方面仍存在著不足。因此，本著簡潔、實(shí)用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)理念，我們提出將定期的自動持續(xù)監(jiān)測、長期的遠(yuǎn)程自動持續(xù)監(jiān)測與定期的人工檢查及測量相結(jié)合的方法進(jìn)行健康監(jiān)測的策略。通過這種方法可以有效地掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而為養(yǎng)護(hù)、維修以及加固提供服務(wù)。整體的監(jiān)測原則如下：
◆ 通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲取橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)（應(yīng)力、裂縫等）的變化，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全方面的評估；
◆采用自動化撓度監(jiān)測系統(tǒng)及人工定期測量結(jié)合的方式測量結(jié)構(gòu)線形，分析結(jié)構(gòu)撓度變化趨勢；
◆ 對于局部損傷、表面銹蝕、腐蝕等及其他無法用傳感器準(zhǔn)確測量的病害及損傷，采用人工檢查；
◆ 對自動監(jiān)測及人工檢查和測量報(bào)告的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為大橋的加固及養(yǎng)護(hù)維修決策提供依據(jù)。
5.2 定期的自動持續(xù)監(jiān)測
5.2.1 對大橋主跨結(jié)構(gòu)的跨中截面和墩頂截面的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測
主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測是健康監(jiān)測的一個重要內(nèi)容，它是通過測定應(yīng)變值再轉(zhuǎn)化為主梁應(yīng)力。監(jiān)測主梁應(yīng)力的目的在于通過對主梁結(jié)構(gòu)的控制部分和重點(diǎn)部位內(nèi)力的監(jiān)測，研究主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種荷載下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估提供依據(jù)。同時，通過控制點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的變異，檢查結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞狀態(tài)。
(1)測試儀器的選擇
為了保證工程健康監(jiān)測長期順利的實(shí)施并要求足夠的精度，經(jīng)過比較，選用上海紫珊公司生產(chǎn)的FBG 表面安裝式光柵光纖應(yīng)變傳感器（如圖10）、便攜式解調(diào)儀（如圖11）。
光纖光柵應(yīng)變傳感器主要性能指標(biāo)見表1。
表1 光纖光柵應(yīng)變傳感器技術(shù)參數(shù)
技術(shù)指標(biāo)
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應(yīng)變量
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+/-1500 me
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分辨率
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< 0.1% FS
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精度
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< 1% FS
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重復(fù)性
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≤0.2% FS
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溫度范圍
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–30°C ～ +70°C
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類型
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溫度補(bǔ)償/無溫度補(bǔ)償
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外形尺寸
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φ22*100mm
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光纖光柵傳感信號處理器是整個解決方案的處理中心，通過分析儀對光纖光柵傳感器的信號進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)處理，能夠直觀的獲得測量結(jié)果，在工程實(shí)踐中也稱作解調(diào)設(shè)備，本項(xiàng)目采用便攜式解調(diào)儀。便攜式解調(diào)儀的技術(shù)參數(shù)見表2。
表2 便攜式解調(diào)儀技術(shù)參數(shù)
技術(shù)指標(biāo)
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通道數(shù)
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1-2
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波長范圍
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≥40 nm@C-Band
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分辨率
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1pm
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重復(fù)性
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3pm（典型）
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掃描頻率
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1-2Hz
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顯示
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6.4寸液晶觸摸屏幕
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接口
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USB×1、LAN×1
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工作溫度
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–20°C ～ +50°C
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尺寸（長×寬×高）
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300mm×18mm×70mm
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(2)測點(diǎn)的布置
應(yīng)變測量與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，因此，其測點(diǎn)的合理布置十分重要。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，重點(diǎn)測量安穩(wěn)大橋的主跨結(jié)構(gòu)跨中截面及墩頂箱梁截面，共布置12個測點(diǎn)。應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖10～13。
5.2.2 對大橋主跨結(jié)構(gòu)中合攏區(qū)段箱內(nèi)外裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測
(1)測試儀器的選擇
為了保證工程健康監(jiān)測長期順利的實(shí)施并要求足夠的精度，經(jīng)過比較，選用上海紫珊公司生產(chǎn)的FBG 裂縫計(jì)（如圖14）。
圖13 裂縫傳感器
其主要性能指標(biāo)見表3。
表3 裂縫計(jì)技術(shù)參數(shù)
技術(shù)指標(biāo)
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裂縫位移量
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0~25mm
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分辨率
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≤0.1％F.S.
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精 度
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＜0.5％F.S.
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工作溫度范圍
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-30℃~＋80℃
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規(guī)格尺寸（長×寬×高）
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≤200mm×80 mm×60 mm
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光纜傳輸距離
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≤20km
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最大彎曲半徑
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≤300mm
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裂縫位移量
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0~25mm
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(2)測點(diǎn)的布置
裂縫的開展情況可以直觀的反映出結(jié)構(gòu)的安全狀況，對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測來說非常重要。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合原橋的檢測報(bào)告，測點(diǎn)布置在中跨跨中合攏段箱梁底板底面橫向裂縫處，全橋共布置3個測點(diǎn)。裂縫測點(diǎn)布置見圖15～16。
圖14 裂縫測點(diǎn)布置圖
圖15 跨中截面測點(diǎn)布置圖
5.3 長期的遠(yuǎn)程自動持續(xù)監(jiān)測
目前我國前期已建成的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋，一般在施工剛完成時情況良好，但運(yùn)營幾年后，均不同程度地會出現(xiàn)跨中下?lián)掀蟮默F(xiàn)象。橋梁過大的撓度將影響車輛的正常行駛。對橋梁撓度進(jìn)行長期監(jiān)測，當(dāng)撓度超過一定限值時，及時給予安全警告，以此確保大橋安全運(yùn)營。
(1)撓度長期監(jiān)測系統(tǒng)
撓度長期監(jiān)測采用YH-2100A系列高智能型靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種采用靜力水準(zhǔn)原理的方法精密測量結(jié)構(gòu)垂向位移的自動化測量系統(tǒng)。右靜力水準(zhǔn)儀、連通水管、總線接口數(shù)據(jù)采集模塊組成，系統(tǒng)采用了基于連通管液位測量原理的連通液位沉降計(jì)，在安穩(wěn)大橋主橋的箱梁內(nèi)部安裝連通管，并在關(guān)鍵位置引出支管，安裝10個精密液位計(jì)，連通液位沉降計(jì)是一種電感調(diào)頻類智能型位移傳感器，由精密液位計(jì)、液位罐和連通管組成。安裝時將精密液位計(jì)設(shè)置在被測點(diǎn)，液位罐設(shè)置在水平基點(diǎn)，并用連通管連接。其原理是通過液位的變化測量被測點(diǎn)相對水平基點(diǎn)的沉降變形。系統(tǒng)可將總線接口模塊巡檢的測點(diǎn)位移記錄（每個記錄包括測點(diǎn)編號、測量時間、位移值）傳送至上位機(jī)，通過與基準(zhǔn)值進(jìn)行公式計(jì)算建立測點(diǎn)垂向位移數(shù)據(jù)庫或Excel數(shù)據(jù)文件，由圖形輸出軟件顯示測點(diǎn)隨時間變化的曲線和結(jié)構(gòu)沉降或撓度位移變化曲線。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)見圖16。
圖16 撓度監(jiān)測系統(tǒng)
(2)測試儀器的選擇
主要性能指標(biāo)分別見表4～5。
表4 靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)參數(shù)
型 號
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量 程
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分辯率
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精 度
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溫度范圍
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外型尺寸(mm)
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直徑
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高
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YH-2120A
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200mm
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0.01mm
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0.2mm
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100
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420
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表5 固定式測斜儀技術(shù)參數(shù)
型號
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測量維數(shù)
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測量范圍
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分辨率
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溫度范圍
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外型尺寸(mm)
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YH50106A
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X/Y二維
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±60°
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0.01°
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-20℃～80℃
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φ32×200
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(3)測點(diǎn)的布置
撓度監(jiān)測點(diǎn)布置在貴陽岸邊跨及1/2中跨腹板上，在中跨跨中、L1/4、L3/8跨、中墩墩頂、邊跨跨中及邊跨梁端位置布置靜力水準(zhǔn)儀及測斜儀，測點(diǎn)布置見圖19。
圖19 撓度測點(diǎn)布置圖
4.4.定期的人工檢查及測量
由于橋梁結(jié)構(gòu)的大尺寸、復(fù)雜性等特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)的所有技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測存在以下幾點(diǎn)不足：通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識別，精度無法完全滿足要求，且無法直觀呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷；部分自動監(jiān)測技術(shù)尚不成熟，精度無法達(dá)到要求；對于部分結(jié)構(gòu)損傷，尚無成熟技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測；系統(tǒng)造價(jià)昂貴，性價(jià)比不高。
因此，為彌補(bǔ)自動持續(xù)監(jiān)測的不足，同時提高監(jiān)測效率和性價(jià)比，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營，采用定期的人工檢查及測量對定期的自動持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行必要的補(bǔ)充。
人工檢查及測量的主要目標(biāo)：
(1)對于自動監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)報(bào)或發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行核實(shí)和直觀測量；
(2)定期對橋梁結(jié)構(gòu)的線形進(jìn)行測量；
(3)定期對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢查，發(fā)現(xiàn)、測量和分析結(jié)構(gòu)病害，評估橋梁安全性。
為了全面掌握大橋目前的變形情況，前期對大橋的橋面線形進(jìn)行了測量，測量時間選在清晨及傍晚車流量相對較少、溫度變化不大的時段。
本次測量選用自安平水準(zhǔn)儀，測點(diǎn)布置在大橋橋面左、右幅外側(cè)護(hù)欄底部，主橋主要控制截面（跨中、1/4跨、1/8跨、墩頂?shù)冉孛妫┎贾脫隙葴y點(diǎn)，為了使測量線形的連續(xù)性，適當(dāng)增加了測點(diǎn)數(shù)量，本次測點(diǎn)布置時，在左、右幅外側(cè)護(hù)欄底部橋面上各選定33個測點(diǎn)，全橋66個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖20。
圖20 橋面線形測點(diǎn)布置圖
6.健康監(jiān)測系統(tǒng)首次測試結(jié)果
(1)橋面線形測量結(jié)果
通過分析測量數(shù)據(jù)，擬合目前的橋面線形曲線，發(fā)現(xiàn)目前大橋中跨跨中上拱值約20cm，另根據(jù)竣工圖，該橋竣工時中跨跨中上拱值為33cm，推斷該橋通車6年來，中跨跨中較竣工時下?lián)霞s13cm。
橋面線形測量結(jié)果詳見圖21。
圖21 主橋橋面線形曲線
距安穩(wěn)大橋約30km的崇遵高速韓家店Ⅰ號特大橋，目前通車運(yùn)營4年。該橋主橋橋型及跨徑組成均與安穩(wěn)大橋主橋相同，中跨跨中設(shè)計(jì)預(yù)拱度為32cm。2008年該橋進(jìn)行了檢測，經(jīng)橋面線形測量發(fā)現(xiàn)，與大橋竣工時相比，中跨跨中下?lián)霞s31cm，原橋設(shè)計(jì)的預(yù)拱度基本消耗殆盡。
通過對兩座大橋設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩座橋主橋跨徑相同，但安穩(wěn)大橋主梁梁高相對較高，主梁剛度相對較大，預(yù)應(yīng)力鋼束配置相對較多，且頂板預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置了下彎束，對抑制主梁跨中下?lián)掀鸬揭欢ㄗ饔?，減緩了跨中下?lián)纤俣取?br />
(2)應(yīng)力測試結(jié)果
便攜式解調(diào)儀采用三個通道來連接光纖光柵應(yīng)變傳感器及裂縫計(jì)，第一通道連接中墩支點(diǎn)處箱梁頂板底面應(yīng)變測點(diǎn)，第二通道連接箱梁跨中底板底面裂縫測點(diǎn)，第三通道連接箱梁跨中底板底面的應(yīng)變測點(diǎn)，應(yīng)變傳感器采集頻率為50Hz，裂縫計(jì)采集頻率為1Hz。三個通道的采集界面見圖22。
圖22 便攜式解調(diào)儀采集界面
本次應(yīng)力測試為首次自動持續(xù)測試，測試期間主梁應(yīng)力測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)基本正常，當(dāng)有重車通過時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力響應(yīng)，應(yīng)力變化趨勢與理論變化規(guī)律基本一致，測點(diǎn)最大應(yīng)力響應(yīng)值小于相應(yīng)的理論計(jì)算值。
圖23 S1-1應(yīng)力測點(diǎn)1000s時段應(yīng)力測試結(jié)果
8.結(jié)語
(1)和同類型相同跨徑的橋梁相比（如韓家店Ⅰ號特大橋），安穩(wěn)大橋主橋箱梁梁高較高，剛度較大，預(yù)應(yīng)力鋼束配筋率較高，且設(shè)置了頂板下彎束，健康監(jiān)測首次橋面線形測量結(jié)果表明，主橋中跨跨中下?lián)馅厔菹鄬^緩，說明增加梁高以增大主梁剛度、設(shè)置頂板下彎束對抑制主梁下?lián)掀鸬搅艘欢ㄗ饔谩?br />
(2)應(yīng)力應(yīng)變首次測試結(jié)果表明，車輛通過時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)趨勢與理論變化規(guī)律基本一致，說明選用光纖光柵傳感器及其配套產(chǎn)品和采用定期自動持續(xù)監(jiān)測的方法來監(jiān)測大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力狀況是可行、可靠的；測點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)值小于理論計(jì)算值，說明在首次測試期間主梁在汽車荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。
(3)遠(yuǎn)程自動撓度監(jiān)測系統(tǒng)正在進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，其實(shí)施的可行性和監(jiān)測效果尚待驗(yàn)證。
(4)定期的人工檢查及測量作為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)中的一項(xiàng)輔助監(jiān)測手段，對自動監(jiān)測起到校核和驗(yàn)證作用，是很有必要的。
