轨道交通大型提篮拱桥健康监测与安全评估系统设计

引 言

提篮拱桥作为全国首座轨道交通工程跨度最大的拱桥， 在特有的轨道交通列车荷载作用下，其振动特性将更加明显， 因而提篮拱桥的健康监测系统需考虑其特有的轨道交通荷载以及身处的地理环境。为了保障桥梁的适用性、耐久性、完整性和安全性，需实时掌握桥梁的运营及健康状况，项目主要建立桥梁健康监测系统，将常规的桥梁检测数据、实时监测数据与特有的轨道交通系统进行整合，实现桥梁的综合安全评估，保障提篮拱桥的运营安全。

提篮拱桥健康监测系统主要针对特有轨道交通环境下运营期间的结构安全状况，提出了一套健康监测与安全评估系统，能够实时监测和评估大桥的承载能力状况、运营状态和耐久能力等，预防意外发生。

1 工程概况

提篮拱桥样本为宁波市轨道交通1 号线控制性节点桥梁。提篮拱桥位于高桥西站 - 高桥站区间，其主跨为 220 m，跨径组合为（25 +220 +25）m，全长 270 m。拱肋平面内矢跨比为 1/5，吊杆间距为 8 m，拱轴线矢高为 44 m。

与寻常桥梁不同的是该桥是轨道交通通行桥梁，具有过车时间段固定、列车经过时间快等特点，因而遵循周期性疲劳规律等。基于轨道交通桥梁的特殊情况，采用光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有测试精度高、重复性和耐久性好、耐腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等特点，能够实时反映列车荷载引起的变化，经分析后得到实测荷载效应规律，并结合有限元分析评价列车荷载对本桥安全、耐久性的影响。提篮拱桥桥型布置如图 1 所示。

2 系统总体功能概述

本提篮拱桥健康监测系统综合应用传感器技术、通信技术、Web 技术，将实时监测、数据分析、在线预警、智能评估等功能进行融合，以实现桥梁安全状态的实时监测及有效管控。

结合系统预警数据要求实时传输等特点，建立一个基于分布式数据库技术的桥梁健康监测及安全评估预警系统的主体框架，实现桥梁工程技术、桥梁健康监测技术、信息技术的结合与桥梁养护管理技术，通过对桥梁结构状态的监测与评估，为提篮拱桥的维护管理决策者提供依据和指导。

结合本轨道交通提篮拱桥的结构特点及监测系统建立的总体思路，本系统分为四大模块，具体功能划分如图 2 所示。

基于上述思路，在充分调研桥梁检测评估报告基础上， 结合桥梁的维修加固情况，本系统基于底层多指标维度进行信息综合，智能预测桥梁结构整体及局部构件的安全状态， 并辅助本提篮拱桥进行维修维护等决策的制定。

3 本桥监测项目及测点布置

根据本提篮拱桥特点，重点围绕桥梁环境荷载、结构关键位置内力响应、变形位移等方面，针对应力、位移、挠度、加速度等参量进行测点布置设计。结合本提篮拱桥环境特点、结构受力特性、构造特点和监测重点，本项目监测内容包括以下几项 ：

（1）桥墩倾斜监测（倾斜仪）；

（2）主梁端位移监测（位移计）；

（3）关键控制截面内力及温度监测（光纤光栅应变计、光纤光栅温度计）；

（4）索力结构受力监测（索力传感器）；

（5）关键控制截面变形监测（GPS）；

（6）主梁结构动力特性监测（加速度传感器）；

（7）桥墩沉降监测（GPS）。

提篮拱桥监测布置点共 95 个，监测项目及监测点概况见表 1 所列。

4 数据处理与分析

数据处理与分析模块是实现对桥梁监测信号进行有效辨识、转化、应用的系统化过程。处理分析模块需要能够自动甄别数据的有效性，过滤异常干扰，确保数据可靠。数据处理分析主要功能模块如图 3 所示。

数据处理和统计分析模块可为进一步进行桥梁危险状态识别与预警、桥梁健康与安全评估提供高效的数据支持与模型支持。

5 结构安全预警与综合评估

5.1 模块功能概述

对本提篮拱桥监测得到的各类信号值进行自动化处理及挖掘分析，对环境荷载作用下的本提篮拱桥的安全状态进行异常判别、桥梁服役性能辨识、结构健康状态评估。结构安全预警与评估子系统需要具备以下功能 ： 

（1）结合结构设计资料、既往监测数据以及桥梁检测数据通过模型修正建立本提篮拱桥运营期基准数据模型，并根据自动监测数据持续完善基准数据模型，用于桥梁工作状态分析和安全状态评定 ； 

（2）在监控中心内实时显示监测数据 ； 

（3）提供丰富的 3D 图形化显示界面，人机交互界面友好，显示效果简明、直观 ； 

（4）对监测获取的各类信号及指标进行时域内挖掘分析与趋势预测 ； 

（5）具备针对本提篮拱桥的安全预警功能，给出结构理论计算值或规范值，对运营期结构性能退化和结构安全性异常状态及时进行识别，实现提篮拱桥安全性在线分析及实时预警 ；

（6）结合本提篮拱桥基础信息、施工监控、荷载试验等各类全生命期数据对本桥的运行状态进行智能评估 ； 

（7）充分利用监测数据对结构状态进行评价、诊断、预测分析等，为桥梁运营阶段的养护管理提供技术支持 ； 

（8）在桥梁运营阶段，每年提交一次监测综合评估报告，尤其在台风、地震等突发事件发生后，及时提交极端事件专题分析报告 ； 

（9）评估结果面向多级结构管理人员，做到简明、有效 ； 

（10）可根据评估结果自动提供维护决策建议 ；

（11）具备系统运行状态监控和报警功能，可在监控中心远程监控传感器系统的运行状态，具有设备故障报警功能 ；

（12）具备远程信息发布与共享功能，拥有远程授权操控能力。

5.2 模块划分

根据该子系统的功能要求，将该子系统分为三个模块，即数据处理分析模块、桥梁安全预警模块和桥梁安全评估模块。总体模块划分如图 4 所示。

5.3 用户界面

根据健康监测系统的要求和方案构建用户界面网站，如 图 5 所示。

通过用户界面可以查询传感器的实时监测数据，并且可以对单独的监测量数据进行描述性统计分析，如图 6所示

6 结 语

本文针对提篮拱桥特有的轨道交通列车荷载作用结构的安全状况提出了一套健康监测与安全评估系统，并且形成了一个健康监测网站，通过该健康监测系统可以查询桥梁健康状态以及对其采集的数据进行分析，基于此类情况监控本提篮拱桥运行状态，一旦发现桥梁存在安全风险隐患便主动预警，保障运营安全。