海岸獨塔自錨式懸索橋SHM系統(tǒng)設計研究★

許科華，姚 騰，李 柔，繆長青

(1.江蘇法爾勝材料分析測試有限公司，江蘇 江陰 214400； 2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189)

自錨式懸索橋無需修建錨碇，主纜直接錨固在加勁梁上，對地質(zhì)條件要求低、受建設地形因素影響小。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展，經(jīng)濟實用性強、造型輕巧美觀的自錨式懸索橋在市政橋梁工程建設中受到青睞，成為城市的標志性建筑物[1-3]。

自錨式懸索橋由加勁梁、主塔、主纜、吊索、索鞍錨固等構件組成，共同承擔結構自重和車輛荷載、風荷載等外荷載作用。自錨式懸索橋主纜錨固于加勁梁端部，在外荷載以及主纜水平分力作用下，加勁梁要承受彎矩扭矩作用，同時還要承受較大的軸壓作用，結構受力復雜。

目前，有關自錨式懸索橋理論研究還不夠深入，不少在役自錨式懸索橋也存在嚴重病害，如主纜防護破損開裂導致主纜索體鋼絲銹蝕、錨桿鎖緊螺栓松動導致吊桿松弛、支座固定螺栓松動銹蝕導致偏移、散索鞍螺母松動導致錨碇內(nèi)長期空氣濕度較大等等，這些病害嚴重影響大橋的安全運營，甚至導致事故。建立大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)橋梁早期損傷與病害，進行大橋運營狀態(tài)預警與評估，為大橋運營維護提供依據(jù)，可以避免更大經(jīng)濟損失和重大事故的發(fā)生。因此，開展自錨式懸索橋健康監(jiān)測等方面研究是非常必要的[4-6]。

本文以煙臺夾河大橋工程為背景，基于大橋結構靜動力分析、結構易損性分析、海岸橋梁運營環(huán)境分析，進行了海岸獨塔自錨式懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置與系統(tǒng)設計，并對于數(shù)據(jù)處理方法、預警方法進行探討。

1 工程概況

夾河大橋位于煙臺市濱海西路夾河入海口，是煙臺海岸線的標志性建筑(見圖1)。橋梁全長1 398.40 m，其中主橋為獨塔雙主跨鋼混組合梁自錨式懸索橋，主跨跨徑為(115+115)m(見圖2)。大橋?qū)?9.8 m，吊索標準索距8 m。主塔為門式框架混凝土結構，高75.0 m。主橋采用雙跨連續(xù)鋼混組合梁體系，充分發(fā)揮鋼材與混凝土的材料特性。主纜為平面布置，在主纜水平分力作用下，主梁可以利用混凝土橋面板受壓性能、避免面板開裂。主塔處設活動支座和橫向抗風支座，并安裝了4個縱向阻尼器。加勁梁采用鋼-混凝土組合梁結構。主橋橋型總體布置如圖3所示。

大橋設計等級為城市A級，結構保證基準期100年，基本風速為31.4 m/h，結構混凝土耐久性按Ⅲ類環(huán)境設計。

2 結構特性分析與易損性分析

2.1 結構靜動力特性分析

海岸橋梁除了承受自身重量和運營車輛荷載作用外，還要承受臺風、波浪荷載、溫度的作用。夾河大橋處于入海口，運行車輛和海洋環(huán)境下風浪共同作用對大橋運營及行車安全構成威脅。

為了掌握運營狀態(tài)下海岸獨塔自錨式懸索橋的力學性能，采用大型有限元分析軟件Midas建立全橋結構空間模型，如圖4所示。其中，主纜和吊桿采用彈性懸索單元模擬，加勁梁、橫梁、索塔、橋墩和樁基采用梁單元模擬。主塔、邊墩樁基通過節(jié)點彈性連接以模擬樁-土間的相互作用。

根據(jù)夾河大橋交通車流測評數(shù)據(jù)和氣候環(huán)境資料數(shù)據(jù)，進行了車輛荷載、溫度、風荷載等荷載及其組合作用下大橋結構力學性能分析和動力特征分析。并分析了臺風等極端氣候時不同風速風向參數(shù)下大橋的振動響應。表1給出了大橋結構前10階自振頻率和振型特征說明。圖5給出了前6階振型圖。

表1 結構動力特性分析結果

靜動力分析表明：在車輛荷載和風荷載作用下，大橋主梁跨中豎向位移和主纜位移較大，影響運營的舒適性。活載作用對大橋主梁內(nèi)力、主纜和吊索內(nèi)力影響最大。由于夾河大橋是海岸懸索橋，車輛荷載、風荷載和環(huán)境腐蝕的耦合作用容易導致吊索腐蝕疲勞損傷。主梁跨中位移、纜索振動、吊索內(nèi)力、主梁梁端位移在運營監(jiān)測養(yǎng)護管理中需要重點關注。

2.2 易損性分析

根據(jù)靜動力荷載作用下大橋結構特性分析結果，結合夾河大橋所處環(huán)境特點，可知夾河大橋運營過程中主要存在以下問題：

1)橋跨線型的變化、鋼-混凝土組合梁的開裂、伸縮縫和排水系統(tǒng)的損壞等。由于跨度較大，海浪對于索塔沖刷作用、索塔的沉降、臺風作用等都會引起橋跨結構線型的變化，導致結構受力不利，影響大橋安全運營。位移變化是評價橋梁行車安全性、整體剛度以及結構性能的重要指標，對其進行可靠的測試至關重要。

2)自錨式懸索橋的主纜和吊桿在反復作用的荷載下，容易發(fā)生疲勞破壞。同時大橋處于海岸，環(huán)境腐蝕性強，由此導致的主纜銹蝕、吊桿和錨具的銹蝕不容忽視。

3)沿海地區(qū)的侵蝕性環(huán)境、海水中氯離子對于鋼筋混凝土結構耐久性影響極大。夾河大橋鋼筋混凝土橋塔、鋼-混凝土組合梁結構，在運營荷載作用下，不可避免的會產(chǎn)生裂縫。裂縫的出現(xiàn)會大大加快混凝土結構鋼筋銹蝕，降低塔梁結構承載力。

3 結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體方案

夾河大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)由四個部分組成，分別為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)、結構預警與評估子系統(tǒng)。

這四個子系統(tǒng)的主要功能：傳感器子系統(tǒng)各傳感器在線收集大橋關鍵部位的信號；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)實時采集方式獲取數(shù)據(jù)，并通過無線或傳輸光纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，將采集到數(shù)字信號通過無線網(wǎng)絡發(fā)射回控制中心；數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)進行成數(shù)據(jù)處理、歸檔、顯示及存儲，根據(jù)結構預警與評估需求進行結構響應特征參數(shù)提取和處理；結構預警與評估系統(tǒng)根據(jù)相關評估預警方法進行分析、閾值判別，提供報警信息。

3.2 監(jiān)測項目與布置

為了使監(jiān)測系統(tǒng)傳感器發(fā)揮最大作用，傳感器主要布置在結構參數(shù)響應敏感處。如應力最大處、位移最大處、結構模態(tài)參數(shù)控制點及環(huán)境影響特征點等。同時考慮監(jiān)測點的數(shù)據(jù)與結構狀態(tài)評估的有效對應。

根據(jù)結構靜動力響應和易損性分析，結合橋址區(qū)運營環(huán)境特點和結構受力特性與構造特點，考慮項目投資的經(jīng)濟性，考慮監(jiān)測項目選擇與測點布置，包括：風荷載、溫度荷載、結構振動狀況、主纜及吊索索力、主跨撓度、結構應力、結構位移和混凝土開裂，環(huán)境腐蝕參數(shù)等。

1)風速風向：主塔塔頂處1臺。

2)環(huán)境溫濕度：主塔橫梁處橋下游側(cè)一個空氣溫度濕度采集儀，共1個。

3)結構溫度：分別在主梁跨中上下游頂板各布置2個，共布置4個結構溫度傳感器；在主塔內(nèi)選取主梁、承臺2個截面，每個截面各布置4個測點，共8個振弦式溫度計。

4)GPS位移監(jiān)測：在主跨跨中上下游各布置1個測點，主塔塔頂各布置1個測點，橋址附近布置1個GNSS基準點，共計6個測點。

5)伸縮縫位移：在主橋兩端伸縮縫處上下游各布置1個直線位移傳感器，共計4個直線位移傳感器。

6)振動與索力：在左右跨中截面上下游布置4個測點，在主塔塔頂塔中各布置2個測點，共計8個雙向加速度傳感器；在上下游2號、4號吊索，主纜跨中各布置1個測點，共計12個加速度傳感器。

7)結構疲勞監(jiān)測：主梁跨中截面、塔梁連接處梁截面、錨固區(qū)梁截面的鋼結構，各布設8個焊接式電阻應變計，共計5個截面40個焊接式電阻應變計。

8)混凝土應變監(jiān)測：在主塔橫梁處塔柱內(nèi)選取2個截面，每個截面布設4個振弦式應變計；主梁跨中截面，每個截面在組合梁混凝土結構布置8個振弦式應變計，共計24個振弦式應變計。

健康監(jiān)測系統(tǒng)共利用了8種類型的傳感器，共有112個(套)傳感器，見表2，圖6。本文主要采用有線傳輸方法，避免長距離傳輸中信號受到電磁干擾，穩(wěn)定性好，保持最遠傳輸距離在150 m內(nèi)[7-10]。

表2 傳感器數(shù)量統(tǒng)計表

4 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與結構預警識別系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述系統(tǒng)設計以及評估預警要求，對監(jiān)測系統(tǒng)采集到各種數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)提取、統(tǒng)計分析、趨勢分析。在此基礎上進行預警分析設置。

風荷載監(jiān)測子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：該橋處于海岸，風環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析是極其重要的工作。通過風荷載監(jiān)測系統(tǒng)得到實測風場信息，參考相應地區(qū)的風場數(shù)據(jù)庫信息，根據(jù)對橋面安全行車專題研究成果的考量，設計風速儀控制警告參數(shù)。將其作為高級別預警指標，對通過橋梁車輛類型進行分級限行。

車輛荷載監(jiān)測子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)車輛荷載下的結構振動響應狀況設定車流量預警參數(shù)，用于控制汽車流量，這里和結構振動狀態(tài)需要進行區(qū)分。將其作為高級別預警指標，對通車流量進行限制。

主梁撓度和裂縫監(jiān)測子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)結構設計結果參考規(guī)范要求確定。將以上兩項作為高級別預警指標，對橋梁是否需要禁行修繕做出判斷。

主纜及吊索索力監(jiān)測系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)結構設計結果參考規(guī)范要求確定，將以上兩項作為高級別預警指標，對橋梁是否需要禁行修繕做出判斷。

其余效應監(jiān)測系統(tǒng)對相應的效應值，包括：加速度、位移和應力等，按照設計規(guī)范和有限元模擬情況對各個初始效應值警告值進行調(diào)整(例如：針對實際跨中水平位移為位移控制警告參數(shù)等)。這些作為低級別預警指標，對橋梁檢修決策起參考作用。

5 結語

以煙臺夾河大橋工程為背景，進行了大橋結構靜動力分析、易損性分析、海岸橋梁運營環(huán)境分析，然后進行了海岸獨塔自錨式懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置與系統(tǒng)設計，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，提出了數(shù)據(jù)處理方法、預警方法。