近年来，随着现代智能传感技术、计算机与通讯技术、大数据处理技术、结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构安全监测已成为国内外工程界和学术界关注的热点。桥梁结构安全监测是通过实时感知并获取反映大桥环境机理和结构响应状态的相关信息，在线监测大桥的工作性能、评估大桥的工作状态，为大桥的安全运营和管养决策提供科学依据和数据支撑。
本文阐述了南沙大桥结构安全监测及养护管理系统中，自动化监测子系统的设计内容。自动化结构安全监测子系统，是通过自动化传感测试技术对结构状态的不利性改变进行在线监测，重在对桥梁结构及其附属设施整体内在受力、状态变化的实时掌控，并通过统一、集成的数据处理与分析平台，进行有针对性的结构安全指标分析，得到与结构状态相关的结论，为桥梁结构的安全预警及桥梁技术状况评定提供可靠依据。
针对性制定策略
南沙大桥工程主线共设置跨海特大桥两座，分别是：坭洲水道桥，主跨跨径布置为658m 1688m 522m（钢箱梁长度为548 1688），矢跨比1/9.5的双塔双跨悬索桥；大沙水道桥，主跨布置为360m 1200m 480m，矢跨比1/9.5的双塔单跨悬索桥；引桥主要采用30m小箱梁，45m的跨径预应力混凝土连续刚构，以及55m和62.5m跨径的预应力混凝土箱梁。
南沙大桥项目运营期结构安全监测及养护管理系统主要包括两部分内容，其中自动化监测系统涵盖范围包括大沙水道桥和坭洲水道桥，电子化人工巡检养护管理系统覆盖两座主桥、引桥和匝道桥等。
系统设计思路
针对该工程项目的运营环境特点以及桥梁结构的受力特点，将结构面临的危险源划分为结构损伤和结构状态的不利性改变两大类，并根据当前技术发展水平，提出针对不同危险源采取不同的监测和巡检养护策略。
监测系统设计思路如下：针对结构内在受力状态的改变，监测主要通过自动化监测子系统，定期或实时采集相关信号数据并加以不同荷载组合计算分析，依靠设计、材料、养护规范以及设计经验实现；针对构件的损伤，通过构件危险性分析制定各桥巡检机制，通过人工巡检实现；最终，根据自动化传感测试系统的监测结果和人工定期巡检的结果，对大桥在运营期间的结构状态改变情况及损伤进行综合评估，根据结构安全综合评估意见提出调整、维修或加固的建议。
系统总体架构
南沙大桥结构健康监测系统的核心任务，是获取桥梁在役期的代表性环境荷载、结构的动静力响应等信息。主要包括以下子系统：
1. 自动化传感测试监测子系统
传感器模块——通过传感器将各类监测信号转换为电（光）以及以太网信号。数据采集与传输模块——将监测信号转换为标准以太网数字信号并完成远程传输。数据处理与控制模块——将监测信号进行预处理以及二次处理，向其他子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序监测并控制监测参数的采集。
2．桥梁养护管理子系统
根据招、投标文件要求，巡检子系统主要工作内容为——按照国家及地方标准，编制大桥通车初期的巡检养护手册，并开发相应的巡检管理软件，包括巡检任务定制与管理模块软件等。并要求运营期管养单位根据手册及软件设定的结构巡检任务和内容，安排人员、设备进行有计划、定时、定量、程序化、制度化的结构巡检，并按软件要求完成巡检的管理、信息化记录、归档、分析和评估等工作。
3．结构预警评估子系统
根据招、投标文件确定的系统结构和构件的代表性监测数据进行统计、分析、预警，以及根据历次巡检和监测的数据，按照业主要求定期编制报告报表，进行结构整体内力状态识别、模态分析、钢结构疲劳分析、风场分析等工作。
4．两大软件子系统
中心数据库子系统——各子系统数据的支撑系统，完成运营期所有监（检）测静态、动态的资料、信息、数据的归档、查询、存储、管理和调用等工作。
用户界面子系统——将桥梁运营期各种监（检）测静态、动态的资料、信息、数据，按用户要求分类分级，按授权向不同用户展示，并按授权接受不同用户对系统的控制与输入。
安全监测及时应变
荷载源监测
1．从结构危险性分析结果看，大桥运营阶段，风致灾害所导致的安全风险须引起足够重视。风荷载对桥梁结构的影响有静力响应和空气动力稳定性，通过运营期间结构安全监测系统所获取的风荷载数据，一般指风速和风向。
2．南沙大桥桥址地处雨量充沛、温暖湿润，年平均相对湿度达80%，主梁、缆索及其锚固系统等钢构件易发生腐蚀作用，尤其是关键构件的耐久性，为尽可能延长使用寿命，需要进行空气温湿度监测。
3．桥梁地震/船撞监测，可监测地震、船撞等灾害事故，并记录时程曲线，为结构整体和局部的计算分析及灾后评估提供输入计算依据。
结构响应监测
1．大桥空间变位监测。通常情况下，索塔塔顶和主梁跨中是位移程度最大的位置，因此，空间位移监测点布设在桥塔塔顶和主梁跨中位置。
2．主梁整体位移监测。从伸缩缝宽度的变化，可以反映主梁纵向漂移的状态。
3．吊索力变化监测。悬索桥是以缆索系统为主要承重构件的结构，其强度和几何形状主要依靠缆索的强度和索长保证。
4．结构振动特性监测。桥梁动力特性的参数（频率、振型、模态阻尼比)和振动水平（振动强度和幅值)是桥梁构件性能退化的标志之一，监测桥梁动力及振动水平，可以从整体使用状态上把握结构的安全状况。
5. 结构应变监测。应力变化的监测分为动应力监测和静应力监测，通过对加劲梁各控制部位的断面进行静应力的监测，了解桥梁在各种交通荷载、自然荷载（包括风荷载、温度荷载、地震荷载等)作用下的受力情况，分析其应力水平，然后与各种荷载组合下的设计值进行比对。
6. 结构温度监测。结构温度测点总体原则是与应变测点对应布置。
结构安全监测系统的监测项总体布置如图1和图2所示。
图1 南沙大桥大沙水道桥监测内容布置图
图2 南沙大桥坭洲水道桥监测内容布置图
专项监测提供可靠数据支撑
伸缩缝与阻尼器专项监测
1.伸缩缝专项监测。南沙大桥采用位移计、倾角仪、加速度计和温湿度仪等传感器设备，对伸缩缝的变形量、缝宽均匀性、倾角、振动特性及环境荷载情况等进行实时监测，用以评估伸缩缝的运营状况。
图3 伸缩缝缝宽均匀性监测
2.阻尼器专项监测。阻尼器专项监测拟通过测量阻尼器的纵向轴力和行程位移，对阻尼器的工作状态和整个桥梁结构状态进行监测，为桥梁结构安全运营提供科学的分析数据。
图4 阻尼器轴力与行程位移监测
涡激振动专项监测
1.风场监测设计。根据《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T 1037-2016)风荷载监测应测量风速和风向,测点宜选择在桥面两侧、塔顶,安装位置应尽可能地监测自由场风速和风向。跨度大于1500m的悬索桥宜在主梁跨中上下游两侧各布设一个测点；跨度大于等于1500m的悬索桥,宜结合风场空间相关性适当增加测点数量。
参照国内外同级别跨径悬索桥风场监测经验，及上述分析内容，在以往仅在桥梁主跨跨中间位置布设三维风速仪的基础上，南沙大桥在坭洲水道桥主跨L/4和3L/4处桥面上下游分别增设了三向超声风速仪，以对不同断面的风场相关性进行更为精细的风荷载监测。
图5 风荷载监测设备布置示意图
2.动力特性监测设计。大跨度悬索桥模态密集，0.6Hz以下可能有多阶模态存在，不同跨度的钢箱梁悬索桥存在有多阶的竖向模态涡激共振现象，频率范围在0.2~0.4Hz之间。涡振振幅容许值主要是考虑行车舒适性所能承受的加速度最大限值换算得到的位移振幅，本质上还是由加速度控制，振幅容许值随模态频率升高而降低，这意味着高阶模态的振幅限值更严格，必须给予更多关注。一般情况下，监测系统仅在四分点断面布置加速度设备，而对于部分高阶模态，四分点处于振型节点位置（模态不动点），会导致动力特性识别结果高阶模态缺失。因此，考虑上述因素，并结合涡激振动分析的实际需要，坭洲水道桥加劲梁振动测点布置在主跨八分点和边跨四分点截面（每个截面2个竖向测点，1个横向测点）；大沙水道桥主梁振动测点布置在主跨八分点截面（每个截面2个竖向测点，1个横向测点）。
结构预警与安全评估
结构预警及安全评估系统作为南沙大桥自动化结构安全监测系统的核心内容之一，通过该系统，可实现根据监测数据进行在线预警，定期利用综合识别结果对桥梁结构的整体、局部的安全使用状况进行评估。对结构安全状态的重要变化，及出现不安全征兆时进行预警，提供报警信号，提醒管养人员关注结构运营安全状况，及时进行维修养护，保障结构健康正常运行。
结构安全预警设计
图6 结构预警流程示意图
预警指标阈值的确定将遵循以下原则：相应结构设计规范中规定的限值，按极限状态理论设计时承载能力极限状态、正常使用极限状态规定的限值，以及按容许应力法设计时规定的设计容许值等；桥梁管理常用的管理措施，遵循一定风速下对车辆通行的相关规定；考虑结构安全可靠度采取不同的安全系数进行阈值分级；建立在监测数据统计分析的基础上，对阈值进行调整。
1．运营初期预警值设定
系统运营初期的预警值设定主要根据已有桥梁结构设计计算书，以及相关规范标准要求等。主要包括如下内容——
应用资料：《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T 1037-2016）；桥梁施工图设计总说明、桥梁抗风设计资料、桥梁抗震设计资料；南沙大桥结构安全监测施工设计图。
计算内容：风速和结构温度；主梁挠度、GNSS三维空间变位、伸缩缝位移、基础地震动响应。
2．预警阈值的调整
根据对结构安全监测系统投入运营一年多的累计历史数据分析，对系统设置的预警阈值进行适当调整。具体调整内容及建议如下——风速预警阈值采用规范中的安全运营指标设定；地震动预警指标采用烈度V度（参考物理指标为31cm/s2）；结构变形监测项的预警阈值，需结合理论计算值和历史监测数据进行调整，建议为近一年周期内有效值的1.2倍为阈值，并持续时间为5分钟以上则触发预警；针对大桥涡激振动等特殊事件，新增振动传感器加速度幅值的预警值设定。
结构安全评估设计
结构安全评估是监测系统的最终成果体现，要求系统能够针对结构的损伤识别、异常状态识别、性能发展趋势预测和整体结构安全性进行分析。应在对本桥进行充分的危险性分析和运营状态受力分析的基础上，采用较成熟的方法对本桥安全状态进行评估，报告大桥主要构件的承载能力，评估大桥整体及各主要构件的使用性能。
南沙大桥健康监测系统安全评估，由荷载校验系数专项评估分析、桥梁动力特性专项评估分析、桥梁位移变形专项评估分析、索振动及索力专项评估分析、特殊事件专项评估分析等组成，以上各专项评估分析均由专业技术人员进行离线分析完成，形成报告。
在基于监测数据进行桥梁结构安全评估的基础上，可综合利用自动化监测数据、专项检测及定期检测数据，对桥梁运营荷载、结构响应、结构状态进行分析，评估内容包括桥梁技术状况评定、承载能力评定，根据综合评估结果，向桥梁管养人员提出养护维修建议。
图7 桥梁综合评估框架图
与建设期一体化结合
运营期初始恒载内力是施工期各阶段内力累加的结果，施工监测的数据有益于运营期监测数据的分析。健康监测系统从以下方面考虑与建设期施工监控的结合：
1．将施工监控各阶段成果，作为桥梁档案的一部分静态资料全部电子录入桥梁健康监测系统数据库中，便于数据分析时随时调用，包括施工监控各阶段计算模型和计算过程及说明；
2．根据施工监控结果，对施工中存在较大偏差的部位和损伤部位，进行重点监测和人工巡检；
3．将施工监控预设的部分索股锚索计和结构应变计等仪器设备，纳入自动化健康监测系统，进行数据实时展示。
监控预设的索股锚索计为弦式锚索测力计，主要用于索股锚索荷载，以及其他重型荷载的测量。监控预设的索股锚索计共16个，大沙水道桥和坭洲水道桥每个锚室共安装了2个锚索计，索股锚索计为振弦式信号输出，经过一定的转换处理后，可接入结构健康监测系统进行在线展示与分析。
图8 锚索力现场监测设备
本文较系统和全面地阐述了南沙大桥自动化结构安全监测子系统的设计架构、监测内容、结构预警及安全评估设计，提出了建立基于在线预警和专项评估的多层次预警与评估体系，针对伸缩缝易损构件，以及大跨度悬索桥涡激振动现象，设计了专项监测内容。同时，提出了运营期结构安全监测系统与建设期施工监控内容相结合的一体化设计思路，实现了结构状态数据的完整性与连续性。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2021年 第1期 总第13期
作者 / 李卫 李毅
作者单位 / 广东省公路建设有限公司虎门二桥分公司
