蕪湖長江大橋撓度預警閾值研究

趙大成 吳少雄 劉興旺，3 劉華 戴鵬飛 陳斌

（1.中鐵橋隧技術有限公司，南京 210061；2.中國鐵路上海局集團有限公司，南京 210015；3.東南大學土木工程學院，南京 211189）

橋梁結構主梁撓度是橋梁設計的重要內容，也是結構剛度的重要體現，其作為橋梁健康監測系統的重要組成部分，是結構運營期安全預警評估的關鍵指標。大跨橋梁撓度監測設備多樣，主要有連通管、GPS、傾角儀、激光設備等。連通管具有多點同步、量程大、數據穩定等優點，被廣泛應用于工程實踐中［1-3］。諸多學者基于橋梁撓度監測數據對結構進行了安全預警及評估［4-6］，但對矮塔斜拉橋撓度實時預警鮮有涉及。

本文以蕪湖長江大橋健康監測系統為背景，將大橋撓度監測數據以天為單位，分時段提取非過車情況下主梁撓度監測數據，并與環境溫度監測數據作相關性分析。采用系統測速儀定位列車過橋時間，截取列車影響下的撓度監測數據并作統計分析，進而對撓度指標設定預警閾值，實現在線實時預警。

1 工程背景

蕪湖長江大橋是國家“九五”重點交通建設項目，也是我國在長江上建造的第1座雙層公鐵兩用矮塔斜拉橋。大橋由公鐵主橋、鐵路引橋和公路引橋三大部分構成。其中，公路橋全長5681.25 m，正橋長2193.7 m。蕪湖長江大橋于1997年3月22日正式開工，2000年9月建成通車［7-8］，其健康監測系統于2017年10月正式啟用，共布置了128 個測點。采用連通管監測主梁撓度，撓度采樣頻率為1 Hz，精度為±1 mm，分布在邊跨跨中、主跨跨中及主跨1/4 和3/4 截面，上下游對稱布置在鋼桁梁下弦桿上部。環境溫度測點采用YGM430 溫濕度傳感器，采樣頻率為1 Hz，精度為±0.3 ℃，布置在主跨跨中。撓度（ND）及環境溫度測點（WSWD）見圖1，10#主塔為撓度基站位置。典型撓度測點現場布置見圖2。

圖1 蕪湖長江大橋撓度測點布置（單位：mm）

圖2 撓度測點現場布置

2 撓度分析

以2017年12月30日凌晨至1 點（環境溫度為9.86 ℃）主梁撓度監測數據的平均值作為基準值并進行歸零，所得撓度為正表示主梁上撓，撓度為負表示主梁下撓。2018年01月07日至01月14日主跨跨中上游撓度測點ND-08-01及跨中環境溫度測點WSWD-08-01時程曲線見圖3。

由圖3 可知，列車荷載及環境溫度是影響主梁撓度變化的主要因素，大橋主跨跨中撓度在溫度影響下呈現明顯的“類正弦”周期性變化趨勢。跨中撓度與環境溫度變化趨勢相反，即環境溫度升高時主跨跨中下撓。周期性趨勢中上下突出的“毛刺”發生在列車過橋時段，由列車荷載引起。

2018年01月07日凌晨至1點（環 境 溫 度 為2.76 ℃）上行單次貨運列車過橋時大橋主跨跨中撓度時程曲線見圖4。

圖4 單次貨運列車過橋時大橋主跨跨中撓度時程曲線

由圖4 可知，車頭進入、車尾駛出橋梁邊跨時，荷載集中在邊跨，主跨跨中輕微上撓（1，2號矩形框），當列車車身位于2 個主塔之間時，由于部分列車荷載位于邊跨，減少了跨中撓度（3號矩形框）。

對蕪湖長江大橋2018年跨中撓度監測數據與環境溫度監測數據作相關性分析。全年撓度監測數據為31536 000 個，與環境溫度整體相關性見圖5（a）。受列車荷載的影響，相關系數R=-0.587，說明撓度與環境溫度的相關性不顯著。提取每天凌晨至1 點非過車時段撓度監測數據（過車時段撓度監測數據采用空值代替）并取平均值，與對應環境溫度監測數據的相關性見圖5（b）。相關系數R=-0.944，說明撓度與環境溫度顯著相關。圖中給出了95%保證率上下分位線，下分位線用于在主跨跨中溫度影響下設定撓度預警閾值。

圖5 環境溫度與跨中撓度相關性分析

大橋健康監測系統全年車速儀有效識別列車33703 次。根據車速儀記錄的過車時段，截取跨中撓度數據并統計每輛列車過橋時跨中撓度變化幅值（跨中最大上拱值與最大下撓值之和），撓度變化幅值時程曲線及統計結果見圖6。

圖6 過車時段撓度變化幅值時程曲線及統計結果

由圖6 可知：全年列車過橋時主跨跨中撓度變化幅值最大值為253.31 mm；統計結果中有3 個波峰極值點，主要是由于客運和貨運列車荷載不同所致。客運列車過橋時，跨中撓度變化幅值集中在［40.72，43.20］mm；貨運列車過橋時，跨中撓度變化幅值集中在［115.10，117.60］mm；部分客運、貨運列車空載或輕載過橋時跨中撓度變化幅值集中在［18.4，20.88］mm。

3 預警閾值分析

溫度發生變化時，撓度往往會滯后一段時間再發生相應變化，導致撓度與溫度相關性發散。環境溫度變化率越大，時滯效應對相關性的影響越大。為了減小時滯效應對環境溫度和撓度相關性的影響，將每天的監測數據以1 h 為區段進行劃分，以2018年每天各個時段環境溫度與非過車時段撓度平均值做相關性分析。其表達式及相關系數分別為

式中：Di為撓度線性擬合值；D下，i為撓度在95%保證率的下分位線值；ki為斜率；Tj為環境溫度；b1，i為線性相關性截距；b2，i為95%保證率的下分位線斜率；i為每天分析時段；j為天數。

撓度與環境溫度各個時段相關性見表1。可知，各個時段相關系數集中在［-0.97，-0.91］，說明環境溫度與撓度監測數據顯著相關。

表1 撓度與環境溫度各個時段監測數據相關性

基于以上環境溫度及列車荷載對主梁撓度的影響分析，采用各個時段撓度在95%保證率的下分位線值D下，i與全年列車過橋時撓度變化幅值最大值A列車之和對撓度的預警閾值W閾值進行設置，即

一般情況下，系統運營一年的監測數據基本包含了各種環境及不同種類、不同列車荷載對結構的影響。若分析時段系統運行正常，則系統監測數據能夠反映橋梁在健康狀態下的特征信息。若后續監測指標超過基于一年監測數據設定的預警閾值，原因是：①系統監測數據異常。可以通過查看同類型、同截面相關測點監測數據進行異常識別，也可通過力學分析判斷監測數據是否合理。②結構的真實響應報警，如地震、車船撞、極端天氣、超載列車等導致監測數據超限，若結構產生損傷則需進行檢測評估，若無異常則將該樣本數據納入統計分析樣本數據中，重新計算模型并統計分析，更新指標閾值。

基于橋梁健康監測系統2018年撓度及環境溫度監測數據建立分析模型，得到預測預警時程曲線，并采用2019年第1 季度跨中撓度監測數據進行校驗，見圖7。可知，撓度預警閾值和撓度監測數據趨勢一致，閾值隨環境溫度變化而變化，具有實時性；閾值量值較小，可以有效防止結構異常信息的漏報。說明采用相關性分析與列車荷載影響下撓度統計分析相結合的方法具有一定的通用性，可為同類型橋梁撓度預警閾值設置提供有力支撐。

圖7 主跨跨中主梁撓度預警時程曲線

4 結論

本文以蕪湖長江大橋健康監測系統為背景，分析環境溫度與跨中撓度相關性，并研究列車荷載影響下撓度的變化規律，從而設置預警閾值。主要結論如下：

1）撓度時程隨環境溫度變化呈現明顯的周期性，各個時段環境溫度與對應非過車時段撓度相關系數集中在［-0.97，-0.91］，環境溫度與撓度監測數據顯著相關。

2）監測系統全年有效識別普速鐵路客貨運列車33703次。列車引起主跨跨中撓度變化幅值最大值為253.31 mm，客運、貨運列車過橋時跨中撓度變化幅值分別集中在［40.72，43.20］，［115.10，117.60］mm；部分客運、貨運列車空載或輕載過橋時跨中撓度變化幅值集中在［18.40，20.88］mm。

3）基于各個時段撓度在95%保證率的下分位線值與全年列車過橋時撓度變化幅值最大值之和設定了撓度預警閾值。閾值隨環境溫度變化而變化，具有實時性且閾值量值較小，可以有效防止結構異常信息的漏報。