王大将
重庆交通大学 建筑与土木工程学院，重庆 400074
摘要: 为了对悬索桥进行有效的监测，确保其运营安全，以某悬索桥为工程背景，基于Midas Civil 对该桥进行了有限元分析，介绍了该桥健康监测系统设计的布点思想及监测内容。最后，基于在线监测系统监测项目，对该桥运营状态进行了安全评估。
关键词: 健康监测
1.引言
桥梁建成运营后，为保证桥梁结构处于良好的功能状态，保障其运营中的安全，避免灾难性事故的发生，有必要采用先进的监测手段和自动化监测技术，构建一个技术先进、措施合理、实用经济、易于管理、开放兼容、符合桥梁管理需求的桥梁运营期健康监测管理系统。20 世纪80 年代中后期，国外开始对桥梁安装各种规模的桥梁健康监测系统[1-2]。例如: 1987 年，英国在总长 522m 的三跨变高度连续钢箱梁桥 Foyle 桥上布设传感器。钱塘江四桥桥梁结构健康监测系统利用 EM 传感器对吊杆索力进行了成功的实时监测。郑州黄河大桥远程振动和预报系统通过监测桥址环境、列车速度、桥梁振动位移及加速度等建立一套振动监测预报系统。本文以某悬索桥为工程背景，建立健康监测系统，为今后类似桥梁的健康监测提供参考。
2.工程概况
某悬索桥主桥采用 200m＋2×850m＋200m 三塔四跨悬索桥。某悬索桥桥型布置示意图如图 1：
图 1某悬索桥桥型布置示意图
主梁采用钢-混凝土结合梁，梁高 3.0m，钢梁采用工字型板梁，钢板面板厚为 20 cm。
中塔采用钢一混组合结构，其上段钢塔柱采用弯矩较小、施工较简单的纵向人字形塔柱。
梁中心线处梁高 2.423 m，混凝土桥
3.健康监测系统的布点分析
3.1桥梁有限元分析
3.1.1计算模型
通过数值分析计算，有利于把握监测和检测的重点，确定监测的内容和精度要求， 为测点布置和优化提供依据。以下为大桥结构整体静动力有限元分析部分结果。空间杆系结构离散计算模型如图 2所示。
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图 2空间杆系结构离散计算模型
3.1.2计算内容
分析计算主要针对大桥实际情况及其健康监测系统要求，计算结果为选择采集测试元件服务，以及为健康监测进行数据参考。
3.1.3有限元计算结果
汽车活载作用下，主梁的最大下挠为 2.222m，相应挠跨比为 2.222/850=1/383，满足主梁的竖向刚度要求。
在横向无车极限静风荷载作用下，主梁跨中最大横向挠度0.826m，相应挠跨比为 0.826/850=1/1029，满足主梁的横向刚度要求。
恒载+汽车活载作用下，主梁结合梁钢梁截面上缘最大压应力为13.37Mpa，最大拉应力为 6.66Mpa，钢梁截面下缘最大压应力73.92Mpa，最大拉应力为133.75Mpa。
成桥状态下主缆最大轴力218748.6kN、最大应力 739.60Mpa，吊索最大轴力2841.6kNkN、最大应力 448.70Mpa。
恒载作用下，中塔处于轴心受压状态。在最不利荷载组合下，中塔钢塔柱最大压应力为 232.600Mpa，最大拉应力为 94.450Mpa，均低于材料的容许应力；中塔混凝土塔柱最大压应力为 11.580Mpa，最大拉应力为 2.580Mpa，普通钢筋混凝土结构即可满足设计要求。
该桥的动力特性分析采用空间结构计算图式，成桥阶段、中塔自立状态的计算图式如图 3、图 4。
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成桥状态的振型主要特点见表 1。
表 1成桥状态的振型
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反对称扭转振型出现在第 3阶，=0.2022Hz，该桥正对称扭转振型出现在第 4 阶，=0.2034Hz。但是由于主梁采取了风嘴等有效的抗风措施，使得抗风性能满足要求。
由于横弯、竖弯、扭转频率均很小，故对结构抗震来说是较为有利的。
中塔自立状态的振型主要特点见下表 2。
表 2中塔自立状态的振型
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由于塔较高，塔自承台顶以上高达 155 米，塔柱的侧向刚度较低，表现在振型上为塔的侧弯振型比塔的纵弯振型先出现。
3.2监测目的及数据要求
根据某悬索桥结构分析及监测要点分析，兼顾管养需求、评估总体规划、既有同类型结构监测经验以及现有的结构监测技术水平，某悬索桥健康监测系统应以结构位移、动力响应监测为主，结构应力、环境监测为辅。确定了自动化监测系统需包含以下监测项目： 重要环境参数及荷载输入;结构静力响应; 结构动力响应。
结合结构计算分析及结构特点而设置的主要监测内容，确定了监测系统的监测截面及监测测点。
4.综合安全评估
为了充分发挥桥梁结构健康监测系统的功能，以保证某悬索桥的安全运营，为大桥的养护、维修以及管理提供科学的依据，需要根据某悬索桥的结构及运营特点、安全运营和科学管理的需求，实时监测反映某悬索桥环境激励和结构响应状态的信息，定时、定量的评价桥梁结构的安全性及结构健康状况。
根据监测系统得出索力的最大拉力、桥面梁体最大位移量及各构件的最大应力是否均处于正常范围，从而确定桥梁总体处于安全、可控的状态。
5.结论
某悬索桥结构健康监测系统能够满足实时监测数据的采集、处理、分析、、预警、评估和显示、查询等功能，为大桥结构安全评估和巡检养护管理服务。通过对环境荷载、桥梁静态、动态特征、桥梁响应的监测，掌握大桥的实际荷载、实际受力状态和使用工作状况，通过查明大桥构件的工作状态和局部损伤情及根据所获得的信息，对大桥进行安全评估。同时结合监测系统测得的信息，建立起精确可靠的预测模式，为长期稳定的检查维护计划制定做准备。在大桥整个设计使用寿命内，确保大桥安全可靠运营，使维护管理费用保持在相对较低的稳定水平。
参考文献：
[1]Zheng Z Y，Liang T，Zhang S Q，et al． Ablation of carbon-doped
liquid propellant in laser plasma propulsion ［J］． Appl Phys A，2016，122: 317．
[2]Urech L，Lippert T，Phipps C Ｒ，et al． Polymer ablation: from
fundamentals of polymer design to laser ablation plasma thruster ［J］．Applied Surface Science，2007，253: 6409-6415．
作者简介：王大将(1995-)，男，壮族，广西百色人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁工程