樂清灣2號橋安全監測系統設備布點設計

史森梟 要世乾

(1.浙江樂清灣高速公路有限公司，浙江 臺州 317600； 2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

1 概述

結構安全監測系統作為智慧橋梁數據處理、存儲和管理的重要載體，實時監測跨海大橋的運營自然環境、運載車輛以及結構靜、動力響應關鍵參數[1]，為基礎設施、運載工具、交通綜合管理提供專業化、信息化、數字化的技術保障。同時有助于構建“車、路(橋)協同”關系，服務應急管理，確保安全交通，提升公路運營養護工作的數據化、信息化的科學技術水平。在大型及特大型橋梁工程中，結構安全監測系統已經得到了比較廣泛的應用[2-4]，也正在逐漸體現出與人工檢查不同的獨特優勢和價值。

橋梁環境和橋梁荷載是導致結構安全變異的外在因素；橋梁結構自身的性能退化是導致結構安全變異的內在因素[5]。橋梁結構響應信息和橋梁損傷(病害)信息是外因通過內因發生作用的直接結果，判別橋梁安全狀態改變的信息都包含在這兩類信息中，但它們是局部的、離散的或者隱含的；通過橋梁安全狀態的評估才能從損傷和響應信息中抽取橋梁評估信息，才能綜合判斷結構安全狀態的變異與否[6]。具體到樂清灣2號橋，其結構安全特征信息如圖1所示。

2 監測點一般性設計

2.1 結構特點

樂清灣大橋及接線工程是甬臺溫高速公路復線的重要組成部分，樂清灣2號橋主橋為雙塔整幅疊合梁斜拉橋，橋跨布置為(70+90+365+90+70) m=685 m，邊中跨比0.438，上部結構為雙塔整幅疊合梁斜拉橋，索塔采用鉆石型塔身，基礎為鉆孔灌注樁；輔助墩與過渡墩基礎均為鉆孔灌注樁。其橋型布置圖如圖2所示。

2.2 測試內容設計

根據交通運輸部發布的JT/T 1037—2016公路橋梁結構安全監測系統技術規程[7]，對于特大型斜拉橋結構一般需要考慮的監測內容應包括表1所示的內容。

測點位置應結合樂清灣2號橋的具體特點、風險特征和理論計算結果確定。由于風荷載、溫濕度等監測內容測點位置的選擇比較簡單，因此下面重點介紹斜拉索索力、結構整體剛度、混凝土橋面板裂縫的測點設計。

表1 樂清灣2號橋監測內容

2.3 有限元模型

全橋總體靜力分析采用RM Bridge V8i空間桿系程序，以理論豎曲線為基準進行結構離散，計算模型考慮斜拉索垂度、P-Δ效應及空間大位移效應等非線性因素。圖3為樂清灣2號橋分析模型。

在過渡墩及輔助墩處對主梁進行豎向與橫向約束，順橋向不設置約束。在索塔處，對主梁進行豎向與橫向約束，順橋向設置限位阻尼器。索塔、過渡墩及輔助墩底部均按照固結模擬。

2.4 索力測點設計

作為斜拉橋核心受力構件，斜拉索長期處在較高應力狀態，且所處沿海環境惡劣，其內部鋼絲容易受到銹蝕。此外斜拉索在車輛、風、雨荷載作用下將產生振動，經常性的大幅振動會加速斜拉索保護層和平行鋼絲的疲勞損傷。為確保橋梁結構的安全與交通運行的順暢，應加強斜拉索的監測。通過模型的計算分析，結合以往工程經驗，確定重點關注斜拉索，布置索力計。

分析斜拉索在橋梁結構自重及二期恒荷作用下的索力，計算結果如圖4所示。

由分析結果可知，在恒載作用下，斜拉索M16的索力最大，為5 479 kN，S16索力與之接近，為5 475 kN。隨索長的減小，索力逐漸減小。斜拉索S2索力最小，為2 096 kN，M2次之，為2 263 kN，最短索S1及M1的索力相較次短索S2及M2的索力有較大幅度增加。對最長索與最短索進行重點關注。

分析在運營狀態標準荷載作用下，斜拉索最大索力及最小索力，如圖5所示。根據斜拉索型號及強度，計算最大索力下斜拉索的安全系數，計算結果如圖6所示。

根據計算結果可知，在標準荷載作用下，斜拉索S16的索力最大，為6 445 kN，M16索力與之接近，為6 402 kN。隨索長減小，索力最大值與最小值逐漸減小。最短索S1索力最大值較S2增加29.3%，最小值增加51.5%。最短索M1索力最大值較M2增加27.1%，最小值增加37.4%。在最大索力下，所有斜拉索的安全系數均大于2.5，滿足規范要求。

分析斜拉索在汽車荷載下的應力幅，車輛荷載考慮按八車道加載，橫向折減系數程序自動考慮，縱向折減系數為0.974 2，沖擊系數取0.05。計算得到斜拉索應力幅值，結果如圖7所示。

由活載下斜拉索應力幅值結果可知，中間斜拉索S9～S2及M2～M7應力幅值較大，外側斜拉索及最短斜拉索應力幅值偏小。選擇應力幅值較大且具有代表性的斜拉索進行監測。

根據以上計算結果，選擇最長索、最短索及具有代表性的斜拉索作為監測重點，同時考慮斜拉索規格，綜合確定索力加速度計的布設位置，索力加速度計的布設如表2所示。

表2 索力加速度計布設位置及數量

2.5 橋梁空間變位測點設計

分析樂清灣2號橋主梁剛度，在汽車荷載作用下，主梁的變形曲線如圖8所示。

由分析結果可知，在車輛荷載下，主跨跨中部位下撓最大，最大下撓259.7 mm，在邊跨與次邊跨，最大下撓同樣出現在跨中，下撓量分別為32.2 mm與35.1 mm。最大上撓出現在邊跨跨中，最大值為30.12 mm。

采用壓力變送器對主梁變形進行監測。在過渡墩處安裝壓力變送器作為基準點，在邊跨、次邊跨及主跨跨中布設壓力變送器，監測主梁在運營過程中的下撓。同時在主跨跨中對稱安裝壓力變送器，測量主梁左右兩幅不均勻下撓。壓力變送器布設位置及數量見表3。

表3 壓力變送器的布設位置及數量

2.6 混凝土箱梁應力

樂清灣2號橋主梁采用分離式雙邊箱流線形扁平鋼箱疊合梁，混凝土橋面板在車輛荷載下可能會出現開裂，采用振弦式應變計對橋面板的裂縫情況進行監測，一方面可以對結構內力狀態進行識別，作為結構狀態分析的參考信息，另外一方面可作為運營期間橋面板安全性預警的重要信息。

在短期荷載作用下，橋面板的上下緣正應力包絡圖如圖9所示。計算表明，混凝土橋面板上緣最小壓應力為-0.7 MPa，下緣最小壓應力為-0.29 MPa。

根據計算結果可以看出，短期荷載作用下橋面板應力滿足規范要求。但在施工過程中由于吊裝精度及養護不足等問題，導致橋面板出現裂紋。選擇應力較大部位進行監測，同時根據裂縫實際出現位置，確定裂縫監測點位置，見表4。

表4 橋面板裂縫監測測點設計結果

2.7 測點設計結果

根據結構特點、風險分析及計算分析結果，并結合現場踏勘，最終確定的監測點設計結果如圖10所示。

3 結語

樂清灣2號橋作為跨海特大橋結構，運營中面臨的風險大，不確定因素多，因此安裝橋梁結構安全監測系統對于掌握橋梁結構響應與運營狀況，進行臺風等災后的應急處理具有重要意義。同時，對鋼混疊合梁的橋面板裂紋進行監測，可以為后續類似工程提供借鑒。