武漢天興洲大橋公路橋加速度監(jiān)測技術(shù)研究

韓靈杰 尚亞瓊 寧 強(qiáng)

（1.鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院建筑與測繪工程系，河南 鄭州 451400；3.江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無錫 214400）

目前，國內(nèi)外新建的大跨度橋梁一般都在大橋建筑中安裝了包括振動測試傳感器在內(nèi)的各種傳感器，用于大橋?qū)崟r或定期地進(jìn)行長期健康監(jiān)測，而動力監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的重要組成部分。基于動力監(jiān)測的大橋健康監(jiān)測主要包括4個階段:①對完整結(jié)構(gòu)進(jìn)行動載測試。②利用動載測試的結(jié)果，對大橋結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正，建立一個比較準(zhǔn)確的有限元動力計算模型。③對大橋結(jié)構(gòu)的損傷檢測與識別。④對大橋結(jié)構(gòu)安全性、可靠性評估。其中第3階段則是損傷檢測的核心部分，主要了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化（是否出現(xiàn)損傷），如有損傷，要求識別其損傷位置（類型）、損傷嚴(yán)重性（程度）等。因此一般的大跨橋梁都要求在其使用過程中進(jìn)行長期的在線檢測或定期檢測［1］。

1 工程概況

武漢天興洲長江大橋位于武漢長江二橋下游10公里處，北起漢口平安鋪，南止武昌武青主干道。該橋總長度為9.3km，其中主橋長4 657m，主跨504m，是世界上最大跨度的公路鐵路兩用斜拉橋［2］。天興洲大橋公路橋主要采用的是大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，為掌握武漢天興洲長江大橋在運(yùn)營階段的固有振動特性的狀況及變化，監(jiān)測車輛荷載（或環(huán)境）激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，并論證其抗震性能，按照實(shí)施細(xì)則及專家意見，選擇了連續(xù)梁64#墩、65#墩梁端開展加速度動力監(jiān)測技術(shù)研究。

2 監(jiān)測方法

橋梁動態(tài)監(jiān)測主要采用電磁類振動傳感器，這類傳感器用于現(xiàn)場短期檢測，可以滿足應(yīng)用要求。但用于橋梁的長期實(shí)時在線監(jiān)測還存在問題。主要是因為這類傳感器的輸出信號一般為電荷信號或模擬電壓信號，信號傳輸損耗大，傳輸距離在300m以內(nèi)。為了把信號傳輸?shù)骄嚯x橋梁現(xiàn)場較遠(yuǎn)（一般在2km以上）的控制室，通常要在現(xiàn)場設(shè)立采集站，對信號進(jìn)行采集和處理，處理結(jié)果再通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行顯示和監(jiān)測。加之現(xiàn)場環(huán)境并不適合電子設(shè)備儀表的長期工作，出現(xiàn)故障的概率很高，維護(hù)困難，成本高，系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性很差，因而電磁類振動傳感器的應(yīng)用受到了極大限制。而光纖光柵加速度傳感器是利用光纖光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理來實(shí)現(xiàn)對加速度的測量，用光的波長變化測量加速度值，并用光纖來傳感、傳輸信號。集測量、傳輸于一體，具有信號傳輸距離遠(yuǎn)、測量精度高、長期穩(wěn)定性好、不受電磁干擾、容易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，設(shè)計的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，采用了匹配光柵濾波解調(diào)技術(shù)，很好地解決了溫度對測量的影響［3-4］。

3 位移測試

3.1 測點(diǎn)布置

公路橋動態(tài)監(jiān)測在64#墩與65#墩跨中布置了一個監(jiān)測截面，共6個測點(diǎn)，如圖1所示，其中4個豎向振動測點(diǎn)，2個橫向振動測點(diǎn)（V2和V5）。

圖1 公路橋動態(tài)測點(diǎn)布置圖

天興洲大橋動態(tài)測試系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、解調(diào)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 測試結(jié)果及分析

動態(tài)測試系統(tǒng)完成初次調(diào)試后，對部分測點(diǎn)進(jìn)行了一段時間的測試，下圖2、圖3為對公路橋上游測點(diǎn)測試的結(jié)果。

①通過與橋面交通監(jiān)控視頻對照發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測截面無車通過時，振動波形和頻譜的幅值很小，甚至被噪聲信號淹沒，但有車輛通過時，振動信號較強(qiáng)，而且車輛荷載越大，振動信號越強(qiáng)，監(jiān)測到的最大振動加速度約0.02ms-2。

圖2 公路橋上游測點(diǎn)振動波形

圖3 公路橋上游測點(diǎn)振動頻譜

②在車輛激振下，可以測到橋梁的豎向和橫向振動頻率，豎向頻率約為1.36Hz，橫向頻率約為2.14Hz，各豎向測點(diǎn)基本一致，橫向測點(diǎn)也一致，豎向振動幅值大于橫向，這與該橋的理論計算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

橋梁作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的樞紐工程，是生命線工程。通過動力加速度監(jiān)測，可及時判斷大橋在地震和風(fēng)震作用下的使用狀況，為管理部門決策提供重要依據(jù)。

［1］李愛群，繆長青.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］秦順全.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.工程力學(xué)，2008，25（增刊II）:99-105.

［3］李愛群，周廣東.光纖Bragg光柵傳感器測試技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2009，39（6）:1298-1314.

［4］陳飚.面向物聯(lián)網(wǎng)和光纖傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［5］胡軍，荊岳大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012.