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，為預應力混凝土連續(xù)剛構橋，主墩采用雙薄壁墩身，樁基礎，橋臺采用砌石圬工重力式橋臺，擴大基礎。
主橋梁體采用單箱單室三向預應力變高度箱梁。箱頂寬22.5m，底板寬11m，翼緣板懸臂長5.75m，箱梁頂板設置2%雙向橫坡，橋面縱坡3.4936%。箱梁跨中及邊跨現澆段梁高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截面的32cm。主橋下部結構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，基礎采用四排16根直徑2.3m樁基礎。
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年進行了檢測，根據病害情況進行了維修加固設計及施工，具體情況如下：
病害情況：中跨跨中梁段混凝土強度偏低；頂板與底板混凝土的勻質性較差，且關鍵截面關鍵部位的應力較大；腹板混凝土的勻質性較差；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量較差混凝土，清洗結合面，種植鋼筋，澆筑改性環(huán)氧混凝土修補；對存在病害的梁段缺陷區(qū)域采用微膨脹水泥砂漿或C55自密實聚丙烯晴混凝土進行修補后，在底板頂面、底板底面、腹板外側、翼緣板底面等局部區(qū)域縱向粘貼鋼板加固；在箱梁外側腹板局部粘貼碳纖維布補強；在全橋橫隔板上粘貼碳纖維布補強；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
結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個以工程結構為對象，應用現代傳感技術及計算機分析技術，為工程養(yǎng)護管理提供數據及安全評估的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，它實時監(jiān)測工程結構在各種環(huán)境、荷載等因素以及在這些因素作用下的結構響應，并能有效地提供工程養(yǎng)護管理的科學依據，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構安全運營、預診斷病害和延長工程使用壽命。
通過以上內容，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現：
?。?）前期計算處理：基于該橋的竣工圖紙進行計算分析，掌握該橋的可能破壞形式，獲得關鍵部位的結構分析數值，為傳感器的類型、數量和精度的選擇提供依據；
?。?）現場檢測：通過對該橋梁的現場檢測，掌握橋梁的基本技術狀況，便于對已存在的或發(fā)生可能較大的結構缺陷和病害，進行有針對的健康監(jiān)測；
?。?）監(jiān)測系統(tǒng)設計：在以上兩步的基礎上，結合擬投入的系統(tǒng)造價進行監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器選擇和合理布置的設計工作；
?。?）系統(tǒng)的搭建：按照系統(tǒng)設計方案，進行系統(tǒng)的安裝，及保護措施的建設；
?。?）對結構進行健康檢測數據的采集。
通過以上步驟，得到原始的采集數據，將自動持續(xù)采集到的數據進行整理、分析，并將長期和定期監(jiān)測的數據和損傷的發(fā)展趨勢進行對比分析及預測，評估損傷的危險程度，依據評估的結果對橋梁主跨結構的健康狀態(tài)進行評價，為大橋后續(xù)的養(yǎng)護、維修及加固提供可靠的資料。
4 結構計算分析
為了解結構的理論受力狀況，采用橋梁有限元綜合計算程序對大橋進行結構分析，根據計算結果，并結合橋梁目前的病害及加固情況，為合理的選取健康監(jiān)測的觀測點及觀測斷面提供依據。主橋結構離散圖見圖7。
圖7 結構離散圖
計算結果表明，正常使用極限狀態(tài)，結構主要控制截面均未出現拉應力，壓應力滿足規(guī)范要求，主橋控制截面的最小正應力為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)設計
5.1 健康監(jiān)測方法的選取
考慮到本橋成橋后運營時間較長，環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等因素的耦合作用將不可避免地導致結構和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災難性的突發(fā)事故，故需要建立和發(fā)展一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，對大跨徑橋梁結構采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況，修復和控制其損傷，從而延長期壽命。
結構健康監(jiān)測是一門跨越結構技術、傳感技術、通訊技術及計算機分析技術的綜合學科。通過采用健康監(jiān)測手段，對橋梁運營安全進行監(jiān)督，同時收集重要的結構荷載和結構響應相關信息，對橋梁養(yǎng)護維修工作進行指導，有著特殊的重要性和必要性。
橋梁結構作為一種大尺寸、復合材料組成的復雜受力系統(tǒng)，對其所有的性能指標進行實時安全評估需要大量的監(jiān)測數據。自動監(jiān)測，存在著一定的技術難度，且經濟投入巨大，同時健康監(jiān)測技術本身目前在海量數據處理和高精度損傷識別方面仍存在著不足。因此，本著簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的設計理念，我們提出將定期的自動持續(xù)監(jiān)測、長期的遠程自動持續(xù)監(jiān)測與定期的人工檢查及測量相結合的方法進行健康監(jiān)測的策略。通過這種方法可以有效地掌握橋梁結構的健康狀態(tài)，從而為養(yǎng)護、維修以及加固提供服務。整體的監(jiān)測原則如下：
◆ 通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲取橋梁結構響應（應力、裂縫等）的變化，并進行結構安全方面的評估；
◆采用自動化撓度監(jiān)測系統(tǒng)及人工定期測量結合的方式測量結構線形，分析結構撓度變化趨勢；
◆ 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告的數據進行分析，為大橋的加固及養(yǎng)護維修決策提供依據。
5.2 定期的自動持續(xù)監(jiān)測
5.2.1 對大橋主跨結構的跨中截面和墩頂截面的應變進行監(jiān)測
主梁結構應力監(jiān)測是健康監(jiān)測的一個重要內容，它是通過測定應變值再轉化為主梁應力。監(jiān)測主梁應力的目的在于通過對主梁結構的控制部分和重點部位內力的監(jiān)測，研究主梁結構的內力分布、局部結構及連結處在各種荷載下的響應，為結構損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結構狀態(tài)評估提供依據。同時，通過控制點上的應力和應變狀態(tài)的變異，檢查結構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)測長期順利的實施并要求足夠的精度，經過比較，選用上海紫珊公司生產的FBG 表面安裝式光柵光纖應變傳感器（如圖10）、便攜式解調儀（如圖11）。
光纖光柵應變傳感器主要性能指標見表1。
表1 光纖光柵應變傳感器技術參數
技術指標
|
應變量
|
+/-1500 me
|
分辨率
|
< 0.1% FS
|
精度
|
< 1% FS
|
重復性
|
≤0.2% FS
|
溫度范圍
|
–30°C ～ +70°C
|
類型
|
溫度補償/無溫度補償
|
外形尺寸
|
φ22*100mm
|
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行檢測和數據處理，能夠直觀的獲得測量結果，在工程實踐中也稱作解調設備，本項目采用便攜式解調儀。便攜式解調儀的技術參數見表2。
表2 便攜式解調儀技術參數
技術指標
|
通道數
|
1-2
|
波長范圍
|
≥40 nm@C-Band
|
分辨率
|
1pm
|
重復性
|
3pm（典型）
|
掃描頻率
|
1-2Hz
|
顯示
|
6.4寸液晶觸摸屏幕
|
接口
|
USB×1、LAN×1
|
工作溫度
|
–20°C ～ +50°C
|
尺寸（長×寬×高）
|
300mm×18mm×70mm
|
(2)測點的布置
應變測量與結構安全直接相關，因此，其測點的合理布置十分重要。根據結構的特點，重點測量安穩(wěn)大橋的主跨結構跨中截面及墩頂箱梁截面，共布置12個測點。應變測點布置見圖10～13。
5.2.2 對大橋主跨結構中合攏區(qū)段箱內外裂縫的產生和發(fā)展進行監(jiān)測
(1)測試儀器的選擇
為了保證工程健康監(jiān)測長期順利的實施并要求足夠的精度，經過比較，選用上海紫珊公司生產的FBG 裂縫計（如圖14）。
圖13 裂縫傳感器
其主要性能指標見表3。
表3 裂縫計技術參數
技術指標
|
裂縫位移量
|
0~25mm
|
分辨率
|
≤0.1％F.S.
|
精 度
|
＜0.5％F.S.
|
工作溫度范圍
|
-30℃~＋80℃
|
規(guī)格尺寸（長×寬×高）
|
≤200mm×80 mm×60 mm
|
光纜傳輸距離
|
≤20km
|
最大彎曲半徑
|
≤300mm
|
裂縫位移量
|
0~25mm
|
(2)測點的布置
裂縫的開展情況可以直觀的反映出結構的安全狀況，對結構的健康監(jiān)測來說非常重要。根據結構的特點，結合原橋的檢測報告，測點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。裂縫測點布置見圖15～16。
圖14 裂縫測點布置圖
圖15 跨中截面測點布置圖
5.3 長期的遠程自動持續(xù)監(jiān)測
目前我國前期已建成的大跨徑連續(xù)剛構橋，一般在施工剛完成時情況良好，但運營幾年后，均不同程度地會出現跨中下?lián)掀蟮默F象。橋梁過大的撓度將影響車輛的正常行駛。對橋梁撓度進行長期監(jiān)測，當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儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種采用靜力水準原理的方法精密測量結構垂向位移的自動化測量系統(tǒng)。右靜力水準儀、連通水管、總線接口數據采集模塊組成，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，在安穩(wěn)大橋主橋的箱梁內部安裝連通管，并在關鍵位置引出支管，安裝10個精密液位計，連通液位沉降計是一種電感調頻類智能型位移傳感器，由精密液位計、液位罐和連通管組成。安裝時將精密液位計設置在被測點，液位罐設置在水平基點，并用連通管連接。其原理是通過液位的變化測量被測點相對水平基點的沉降變形。系統(tǒng)可將總線接口模塊巡檢的測點位移記錄（每個記錄包括測點編號、測量時間、位移值）傳送至上位機，通過與基準值進行公式計算建立測點垂向位移數據庫或Excel數據文件，由圖形輸出軟件顯示測點隨時間變化的曲線和結構沉降或撓度位移變化曲線。系統(tǒng)實現見圖16。
圖16 撓度監(jiān)測系統(tǒng)
(2)測試儀器的選擇
主要性能指標分別見表4～5。
表4 靜力水準儀技術參數
型 號
|
量 程
|
分辯率
|
精 度
|
溫度范圍
|
外型尺寸(mm)
|
直徑
|
高
|
YH-2120A
|
200mm
|
0.01mm
|
0.2mm
|
100
|
420
|
表5 固定式測斜儀技術參數
型號
|
測量維數
|
測量范圍
|
分辨率
|
溫度范圍
|
外型尺寸(mm)
|
YH50106A
|
X/Y二維
|
±60°
|
0.01°
|
-20℃～80℃
|
φ32×200
|
(3)測點的布置
撓度監(jiān)測點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儀及測斜儀，測點布置見圖19。
圖19 撓度測點布置圖
4.4.定期的人工檢查及測量
由于橋梁結構的大尺寸、復雜性等特點，對結構的所有技術指標進行實時自動監(jiān)測存在以下幾點不足：通過監(jiān)測數據進行損傷識別，精度無法完全滿足要求，且無法直觀呈現結構損傷；部分自動監(jiān)測技術尚不成熟，精度無法達到要求；對于部分結構損傷，尚無成熟技術進行監(jiān)測；系統(tǒng)造價昂貴，性價比不高。
因此，為彌補自動持續(xù)監(jiān)測的不足，同時提高監(jiān)測效率和性價比，確保結構安全運營，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)進行必要的補充。
人工檢查及測量的主要目標：
(1)對于自動監(jiān)測系統(tǒng)預報或發(fā)現的結構損傷進行核實和直觀測量；
(2)定期對橋梁結構的線形進行測量；
(3)定期對橋梁結構進行常規(guī)檢查，發(fā)現、測量和分析結構病害，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儀，測點布置在大橋橋面左、右幅外側護欄底部，主橋主要控制截面（跨中、1/4跨、1/8跨、墩頂等截面）布置撓度測點，為了使測量線形的連續(xù)性，適當增加了測點數量，本次測點布置時，在左、右幅外側護欄底部橋面上各選定33個測點，全橋66個測點，測點布置見圖20。
圖20 橋面線形測點布置圖
6.健康監(jiān)測系統(tǒng)首次測試結果
(1)橋面線形測量結果
通過分析測量數據，擬合目前的橋面線形曲線，發(fā)現目前大橋中跨跨中上拱值約20cm，另根據竣工圖，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，中跨跨中設計預拱度為32cm。2008年該橋進行了檢測，經橋面線形測量發(fā)現，與大橋竣工時相比，中跨跨中下?lián)霞s31cm，原橋設計的預拱度基本消耗殆盡。
通過對兩座大橋設計圖紙進行對比發(fā)現，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，預應力鋼束配置相對較多，且頂板預應力鋼束設置了下彎束，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)應力測試結果
便攜式解調儀采用三個通道來連接光纖光柵應變傳感器及裂縫計，第一通道連接中墩支點處箱梁頂板底面應變測點，第二通道連接箱梁跨中底板底面裂縫測點，第三通道連接箱梁跨中底板底面的應變測點，應變傳感器采集頻率為50Hz，裂縫計采集頻率為1Hz。三個通道的采集界面見圖22。
圖22 便攜式解調儀采集界面
本次應力測試為首次自動持續(xù)測試，測試期間主梁應力測點測試數據基本正常，當有重車通過時，結構產生明顯的應力響應，應力變化趨勢與理論變化規(guī)律基本一致，測點最大應力響應值小于相應的理論計算值。
圖23 S1-1應力測點1000s時段應力測試結果
8.結語
(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，預應力鋼束配筋率較高，且設置了頂板下彎束，健康監(jiān)測首次橋面線形測量結果表明，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、設置頂板下彎束對抑制主梁下?lián)掀鸬搅艘欢ㄗ饔谩?br />
(2)應力應變首次測試結果表明，車輛通過時，結構產生的應力響應趨勢與理論變化規(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)剛構橋的應力狀況是可行、可靠的；測點應力響應值小于理論計算值，說明在首次測試期間主梁在汽車荷載作用下的應力狀態(tài)滿足設計要求。
(3)遠程自動撓度監(jiān)測系統(tǒng)正在進行前期準備工作，其實施的可行性和監(jiān)測效果尚待驗證。
(4)定期的人工檢查及測量作為大跨徑連續(xù)剛構橋健康監(jiān)測系統(tǒng)中的一項輔助監(jiān)測手段，對自動監(jiān)測起到校核和驗證作用，是很有必要的。
