眼观六路 守护南沙大桥

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。