1 前言
連續(xù)剛構橋綜合了連續(xù)梁橋和T型剛構橋的受力特點，由連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結而成。它具有改善行車條件、減少支座設置、減小梁跨中彎矩、降低梁建筑高度等優(yōu)點。連續(xù)剛構橋常采用大跨徑、高墩結構，高墩采用柔性薄壁，減小了主梁嵌固作用，使梁的受力接近于連續(xù)梁。
我國橋梁發(fā)展起步較晚，但隨著近十幾年來橋梁建設速度的逐步加快，主跨跨徑在100m~300m范圍內的連續(xù)剛構橋比比皆是。由于該橋型在一定跨度范圍內具備獨有的優(yōu)勢，因此在設計跨越大江、大河及山谷的橋梁時常優(yōu)先考慮這種橋型。國內已建成的大跨徑連續(xù)剛構橋見下表：
國內已建的典型剛構橋 表1
序號
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橋梁名稱
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竣工年份
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最大跨度（m）
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1
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沅陵大橋
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1991
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140
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2
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三門峽黃河公路大橋
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1993
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160
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3
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廣東南海金沙大橋
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1994
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120
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4
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黃石長江大橋
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1995
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245
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5
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虎門大橋副航運橋
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1997
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270
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6
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重慶黃花園大橋
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1999
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250
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7
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下沙大橋
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2003
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232
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8
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下白石大橋
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2003
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260
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9
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石板坡長江復線橋
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2006
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330
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近十幾年來，連續(xù)剛構橋逐步向輕巧、纖細方面發(fā)展，但隨著橋梁自重、跨長的不斷增加以及設計、施工、材料等方面原因，連續(xù)剛構橋在使用過程中產生的典型病害如下：
?。?） 跨中持續(xù)下?lián)希?br />
?。?） 跨中和L/4截面箱梁腹板和底板出現(xiàn)斜向和橫向受力裂縫；
?。?） 墩頂0號塊梁段開裂。
其中，國內大跨度連續(xù)剛構橋典型案例如下：
?。?）黃石長江大橋建于1995年，該橋運營一年后，箱梁內外側腹板出現(xiàn)斜向裂縫。2002年再次檢測時發(fā)現(xiàn)主跨跨中累計下?lián)献畲筮_30.5cm。
?。?）三門峽黃河公路大橋主橋于1999年檢測時發(fā)現(xiàn)，腹板出現(xiàn)大量斜向裂縫。2002年再次檢測時發(fā)現(xiàn)主跨跨中下?lián)献畲筮_22cm。
（3）廣東南海金沙大橋于2000年檢測時發(fā)現(xiàn)跨中撓度達22cm，主跨箱梁腹板出現(xiàn)大量斜裂縫，最大裂縫寬度達1.15mm。
?。?）虎門輔航道橋于2003年檢測時發(fā)現(xiàn)左幅跨中下?lián)?2.2cm，右幅跨中下?lián)?0.7cm，遠遠超出設計預留的10cm徐變預拱度，箱梁腹板產生斜裂縫且跨中底板附近出現(xiàn)橫向受力裂縫。
大跨徑連續(xù)剛構橋梁病害的出現(xiàn)使橋梁的承載能力和耐久性降低，因此，建立大跨度連續(xù)剛構橋的健康監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)是必要的和緊迫的，大跨度連續(xù)剛構橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對研究連續(xù)剛構橋梁在實際過程中的靜動力特性變化、長期工作性能、荷載水平、工作環(huán)境變異、橋梁工作狀況、災害預防和保證橋梁正常使用、科學決策橋梁養(yǎng)護和維修等具有重要意義。
由于多種原因，我國目前對大跨度連續(xù)剛構橋梁建立監(jiān)測和安全評估系統(tǒng)的案例還為數不多。本文將以韓家店I號特大橋為工程背景，介紹連續(xù)剛構橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計思路、監(jiān)測內容、儀器選擇、測點布置、信號采集與傳輸等內容的設計及實現(xiàn)，旨在對類似工程實施起拋磚引玉之用。
2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用及特點
自80年代中后期，國內外已相繼建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。安裝最早且較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一是英國在總長522m的鋼箱梁橋Foyle橋上設置的監(jiān)測系統(tǒng)，通過埋設傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結構溫度場。該系統(tǒng)最早實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數據網絡共享。其他典型橋梁如丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉橋、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋以及加拿大的Confederatiot Bridge橋。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結構監(jiān)測系統(tǒng)，如香港青馬大橋、汲水門大橋、汀九大橋、上海徐浦大橋、江陰長江大橋、山東東營黃河公路大橋、廣東虎門大橋、蕪湖長江大橋、潤揚長江大橋、蘇通長江大橋等等。
從已經建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：
（1）監(jiān)測橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài)，對結構響應信息進行記錄并分析；
（2）除監(jiān)測結構本身的狀態(tài)和行為以外，還對結構環(huán)境條件（如風、車輛荷載等）進行監(jiān)測和記錄，以利于進一步分析評價結構環(huán)境對結構的影響；
?。?）服務于大橋的施工監(jiān)控、成橋靜載動載試驗驗收和運營階段的整個過程，力求連續(xù)、完整地獲取大橋結構信息；
?。?）具有自動采集、通訊與處理大容量信息能力，且實現(xiàn)數據的網絡共享。
3 韓家店I號特大橋簡介
韓家店Ⅰ號特大橋是國家主干線出海通道G75蘭海高速公路上的一座特大型橋梁，主橋為（122+210+122）m預應力混凝土連續(xù)剛構橋，全長為454m。橋梁全寬22.5m，箱梁為三向預應力結構，采用單箱單室截面，頂板寬22.5m，底板寬11m，箱梁頂面翼緣板設置2.0％的雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高3.5m，箱梁根部及0號梁段梁高12.5m。主墩采用雙薄壁墩身，群樁基礎。該橋設計荷載：汽-超20級，掛-120，于2006年建成通車。
韓家店Ⅰ號特大橋主橋運營四年時間，出現(xiàn)了主跨跨中下?lián)?，箱梁頂、底板開裂等病害。為延緩結構下?lián)?，提高結構安全儲備，對該橋進行加固維修設計，加固設計內容主要包括：
（1）橋面鋪裝改造；
（2）箱梁內增設體外預應力；
?。?）箱梁腹板粘貼鋼板并加厚；
?。?）箱梁頂、底板粘貼碳纖維布。
目前，韓家店Ⅰ號特大橋主橋正在進行加固施工工作，橋面鋪裝正在鑿除，體外預應力鋼束齒板、轉向塊的混凝土澆筑工作正在進行，箱梁內側施工支架、吊架已搭設完畢，為健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝實施提供了便利。
4 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計
3.1 設計原則
?。?）通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲取橋梁結構響應的變化，進行結構安全評估；
（2）采用撓度傳感器獲取結構關鍵部位撓度狀況，分析結構撓度變化趨勢；
?。?）對自動監(jiān)測的數據進行分析，為大橋的加固及養(yǎng)護維修決策提供依據。
3.2 設計思路
為了確保韓家店Ⅰ號特大橋運營狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷系統(tǒng)的科學性、適用性以及良好的性價比，需要正確的設計思想，因此系統(tǒng)的監(jiān)測參數及測點布置、系統(tǒng)硬件、軟件及控制系統(tǒng)、安全評估方法都必須綜合考慮?；诖苏J識，對系統(tǒng)監(jiān)測參數、測點布置、硬件系統(tǒng)及軟件作如下考慮：
?。?）系統(tǒng)監(jiān)測參數
韓家店Ⅰ號特大橋的監(jiān)測重點是恒載下的結構靜態(tài)參數，通過在關鍵截面布置位移測點和應變測點分別來獲得橋梁安全評價重要指標——橋梁的撓度、線形、應力以及全橋的溫度場。此外，考慮到外界環(huán)境溫度對橋梁的撓度和應變影響很大，在全橋的關鍵部位布置溫度測點以期獲得全橋的溫度場，實現(xiàn)對撓度和應變進行模型修正。
?。?）系統(tǒng)硬件選擇
應力應變傳感器及撓度傳感器擬選用傳統(tǒng)的有線傳輸設備與無線傳輸設備相結合的系統(tǒng)和產品。一方面無線傳輸設備實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)網絡連接，實時數據傳送；另一方面，有線傳輸設備又為整個監(jiān)測系統(tǒng)的數據穩(wěn)定輸出提供了保證。
將計算機、處理器、通信模塊、電源模塊等設置在橋梁現(xiàn)場機房，承擔大橋監(jiān)測數據的集中采集、存儲和預處理。為便于交通管理部門對大橋健康安全狀態(tài)統(tǒng)一管理，在大橋附近的隧檢所設置一監(jiān)控中心承擔橋梁的安全監(jiān)控任務，同時實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測數據的備份，避免由于計算機故障或停電的原因造成監(jiān)測數據丟失。
?。?）系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件采用功能化、模塊化的結構設計并設置相關的調試、診斷模塊，方便調試、維護、升級，界面設計簡潔而友好。
?。?）預警報警
橋梁結構一旦發(fā)生異常情況，數據采集系統(tǒng)會捕捉異常信號，同時會以燈光、聲音和網絡信息的形式進行預警。
總之、本系統(tǒng)最終要實現(xiàn)的功能是基于無線通訊技術，對大橋關鍵部位的位移、應變、溫度等參數進行無線遠程自動實時監(jiān)測；根據有限點監(jiān)測數據，對橋梁關鍵部位及整體的安全狀況進行評估，評估結果可視化，根據安全等級進行自動報警，并與其日常養(yǎng)護管理形成聯(lián)動機制。
3.3 監(jiān)測內容
韓家店I號特大橋主要進行整體線形監(jiān)測和結構應力監(jiān)測。此外，還考慮橋梁加固預應力張拉效果測試：① 對新施加體外預應力進行應力監(jiān)控；② 對順橋向伸縮量進行監(jiān)控。
4 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構成
韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構成圖1所示。
圖1 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構成圖
4.1 測點布置原則
?。?）結合連續(xù)剛構橋受力特點，在跨中、1/4跨、墩頂等關鍵性斷面集中布置測點。盡可能布點均勻，左右對稱。
?。?）在結構受力產生最大位移或最大應力處布置測點，特別在結構易發(fā)生病害位置處布置測點，通過監(jiān)測橋梁病變位置的內力、變形狀態(tài)，達到安全預警預報的目的。
?。?）在滿足監(jiān)測要求的前提下，盡量減少測點以降低成本。
?。?）滿足易拆、可換的原則。
4.2 測點布置方案
（1）應力測點布置方案
根據對該橋特點和結構分析結果，確定橋梁營運階段的最不利截面為6個。
圖2 主要控制截面示意
在9號墩上部支點截面（S2）安裝5個應變傳感器（左右腹板各1個，箱梁頂板安裝3個；在跨中截面（S4）安裝6個應變傳感器，其中包括箱內頂板及底板各三個；其他截面，如邊跨跨中截面和中跨1/4L截面（S1、S3、S5、S6）各安裝4個應變傳感器，其中包括箱內頂板及底板各兩個，測點布置如圖3所示。
圖3 主要控制截面應力測點布置示意
?。?）撓度測點布置方案
撓度測點布置主要為測量橋梁的線形，根據結構受力分析，在橋梁縱向6個關鍵截面布置撓度傳感器。如圖4所示。
圖4 主要控制截面撓度測點布置示意
?。?）溫度、濕度測點布置方案
溫度是影響橋梁撓度的主要因素之一，因此，需對橋面和箱內、橋梁的陰面和陽面進行溫度監(jiān)測，獲得與應力及位移相對應的大氣溫度以及主跨箱體溫度，為應力和撓度的測試進行補償修正，并校核設計取值，評估溫度荷載引起的結構變形、應力變化和對結構安全的影響。
溫、濕度測點截面布置在主橋邊跨跨中、中跨跨中處。溫度傳感器、濕度傳感器裝在這些截面所在的主梁腹板、內外緣。
圖5 溫度、濕度測點布置示意
4.3儀器的選擇及主要性能指標
傳感器的選擇要遵循技術先進、經濟合理、性能可靠適用、長期穩(wěn)定等原則
來進行選取，韓家店I號特大橋主橋健康監(jiān)測系統(tǒng)選用的儀器類型如下圖所示：
圖7 傳感器
儀器主要性能指標表 表2
儀器名稱
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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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靜力水準儀
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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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應變計
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YH0212
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3000με
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1με
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1%
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濕度計
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YH-4900A
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0-90%
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1%
|
5%
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溫度計
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YH-5100A
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-20℃~+80℃
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0.5℃
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0.01%
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4.4 數據的采集與傳輸
連續(xù)剛構橋監(jiān)測系統(tǒng)包含的傳感器種類相對單一、分布范圍也相對較集中，只在全橋范圍內設一個采集工作站。數據采集系統(tǒng)由布設在大橋橋頭的采集工作站和各監(jiān)測點到工作站間的傳輸網絡組成。工作站中設光纖光柵傳感網絡分析儀和撓度總線采集模塊，分別對光纖光珊類傳感器信號和撓度信號進行采集、解調以及顯示。本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建立了一套實用的采集制度：正常情況下監(jiān)測每天溫度最高和溫度最低時段，交通高峰期時段；其余時段根據設計值及驗收相關數據對各類參數設置采集閥值，當結構響應大小超過該閥值時開始采集。
圖8 數據采集架構
通訊服務器軟件運行在具有公網IP的中心主站計算機上，負責在傳輸網絡中接收并解析下端數據采集儀上傳的實時數據，并將解析后數據寫入數據庫中以備監(jiān)控中心軟件查詢分析的軟件。此外，通訊服務器還作為數據采集儀遠程設置和升級的轉發(fā)控制功能，其傳輸協(xié)議按國家環(huán)保局數據采集儀通訊協(xié)議執(zhí)行，并在此協(xié)議基礎上滿足遠程設置及升級的協(xié)議命令的轉發(fā)。
圖9 數據傳輸架構
4.5 數據分析處理系統(tǒng)
橋梁健康監(jiān)測的目的是為了及時發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患。其數據分析處理結果的有效性和本身的效率對整個數據分析處理性能的發(fā)揮起著關鍵作用，應能從監(jiān)測數據中準確而有效地尋找出異常（觀測）值，捕捉橋梁一切可能產生病變的線索，對異常數據進行可靠性分析，初步判斷異常值產生的原因，根據原因做出相應的處理。
大橋結構的評估控制系統(tǒng)應密切結合本橋的特點和設計理論控制值、環(huán)境溫度等因素，對橋梁構件的不正常表現(xiàn)做出及時診斷并找出其根源，及時發(fā)現(xiàn)災難性破壞的隱患，其系統(tǒng)的主要功能有以下幾部分：
1）制定橋梁結構技術狀態(tài)的評價指標：主要是對主梁變形、應力變化及動力參數等關鍵指標做出限制，對橋梁結構各部件制定評定標準，采用綜合評定方法評定全橋總體技術狀況。
2）設定日常報警系統(tǒng)，用于橋梁的日常運營管理。
5 結語
隨著國民經濟快速發(fā)展，人們對于橋梁結構的安全性、耐久性和適用性也提出了更高的要求。同時，人工檢測的低效性遠遠落后于橋梁的建設與發(fā)展，因此開展大跨度連續(xù)剛構橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作就顯得尤為迫切。本文結合連續(xù)剛構橋梁結構受力特點，以韓家店I號特大橋主橋為依托工程背景，根據健康監(jiān)測系統(tǒng)以往實際工程應用及特點，闡述了大跨度連續(xù)剛構橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計思路、監(jiān)測內容、儀器選擇、測點布置、信號采集與傳輸等內容的設計及實現(xiàn)，以期為同類橋梁的健康監(jiān)測、設計和養(yǎng)護維修提供寶貴的借鑒經驗，更好地推進連續(xù)剛構橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。
