唐華瑞，寧 強(qiáng)

武漢天興洲長江大橋伸縮縫位移監(jiān)測技術(shù)研究

唐華瑞1，寧 強(qiáng)2

（1.河南理工大學(xué) 萬方科技學(xué)院，河南 鄭州 451400；2.江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無錫 214400）

橋梁的結(jié)構(gòu)位移是衡量結(jié)構(gòu)安全性的一個重要因素。過大的結(jié)構(gòu)位移不僅引起應(yīng)變超限，還會影響橋梁的正常使用。結(jié)構(gòu)的位移變化還能反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害。以武漢天興洲公鐵兩用長江大橋公路橋為研究對象，用光柵位移傳感器進(jìn)行伸縮縫位移監(jiān)測，并通過梁端位移測試數(shù)據(jù)，評判結(jié)構(gòu)的安全性。

武漢天興洲大橋；伸縮縫；位移監(jiān)測；技術(shù)分析

0 引言

橋梁的結(jié)構(gòu)位移是衡量其安全性的一個重要因素。過大的結(jié)構(gòu)位移不僅會引起應(yīng)變的超限，還會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的病害也可能通過位移的變化反映出來。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，伸縮縫位移是一個必須測量的參數(shù)［1］。

武漢天興洲長江大橋位于武漢長江二橋下游10 km處，北起漢口平安鋪，南止武昌武青主干道，總長度為9.3 km，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］。該橋上層為6車道公路，設(shè)計時速為80 km；下層為可并列行使4列火車的鐵道，設(shè)計時速為200 km。天興洲長江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?？紤]橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點，按照實施細(xì)則及專家意見，該橋選擇連續(xù)梁66#墩梁端進(jìn)行伸縮縫的位移監(jiān)測。筆者對天興洲長江大橋公路橋伸縮縫位移監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 位移監(jiān)測方法及其原理

1.1 監(jiān)測方法

拉繩式位移傳感器和磁滯伸縮式位移傳感器是橋梁工程領(lǐng)域常用的監(jiān)測傳感器。拉繩式位移傳感器借助高韌性鋼絲來測量直線位移，鋼絲通過合金鋼彈簧繞于鋁合金滾筒之上，由此將直線位移轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。磁滯伸縮式位移傳感器利用磁環(huán)替代了拉伸的鋼絲，將測試轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N非接觸式的測量方式。兩類測量方式的共同點是，測試的位移均反映為電信號。對于進(jìn)行長期遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的橋梁來說，由于監(jiān)測現(xiàn)場距離控制室較遠(yuǎn)，電類信號在傳輸過程中易被電磁干擾。若在現(xiàn)場設(shè)置采集站作為中繼，不僅降低了測試結(jié)果的可靠性，還增加了監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性和監(jiān)測成本。

本監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合項目內(nèi)結(jié)構(gòu)伸縮縫距離的監(jiān)測要求，基于光纖傳感技術(shù)的支持，用光柵位移傳感器進(jìn)行位移監(jiān)測。該光纖光柵位移傳感器實物照片如圖1所示。

1.2 測試原理

圖1 光纖光柵位移傳感器Fig.1 Fiber bragg grating displacement sensor

光纖光柵位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。在外力作用下，位移傳遞桿產(chǎn)生位移，致使傳遞鋼繩產(chǎn)生拉伸。傳遞鋼繩產(chǎn)生的拉力以集中力的方式作用在懸臂梁的自由端。懸臂梁另一端固定在與鋼繩保護(hù)筒連成一體的圓柱形剛性殼體內(nèi)側(cè)壁上，其上下表面分別貼著互補(bǔ)的光柵對。當(dāng)位移傳遞桿產(chǎn)生位移時，懸臂梁下表面受壓縮而產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，上表面受拉伸而產(chǎn)生正應(yīng)變，貼在其上、下表面的光纖光柵也產(chǎn)生同樣的正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變，使上、下兩個光纖光柵的中心波長向相反方向移動。兩個波長差值可表征位移傳遞桿移動的位移［3］。

圖2 光纖光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Fiber bragg grating displacement sensor structure

用兩光柵中心波長的差值求解位移傳遞桿產(chǎn)生的位移時，溫度引起光纖光柵中心波長的變化將作為共模信號剔除掉。該項測試技術(shù)既利用了光信號遠(yuǎn)程不受電磁干擾的特性，又彌補(bǔ)了光纖光柵受溫度影響的測試缺陷［4］。

2 位移監(jiān)測分析

2.1 測點布置

按照細(xì)則要求，位移傳感器安裝在連續(xù)梁66#墩梁端，上、下游箱梁共兩個監(jiān)測斷面，每個斷面布置2個測點。在實施過程中，將位移傳感器支座一端安裝于66#墩內(nèi)，支座另一端連接鋼絲拉繩安裝于66#墩所對立的簡支梁上。上、下游4個位移傳感器分別組成兩串信號后，匯入主光纜。

2.2 測試結(jié)果及分析

圖3為連續(xù)10天監(jiān)測的梁端縱向位移時程曲線，圖4為其對應(yīng)的上、下游位移差值時程曲線。由圖3和圖4可以看出，上、下游監(jiān)測曲線變化差異幅度較小，發(fā)展趨勢一致；在監(jiān)測時間段內(nèi)，上、下游間位移差值很小，約為-1～1mm。

圖3 梁端位移監(jiān)測時程曲線Fig.3 Beam-end disp lacement monitoring time-history curve

圖4 上下游梁端位移差值時程曲線Fig.4 Upstream and downstream beam-end displacement differences time-history curve

圖5為梁端上、下游平均位移與梁內(nèi)溫度的監(jiān)測曲線。由圖5可以看出，梁端位移與溫度呈負(fù)相關(guān)趨勢，隨著溫度的降低，梁端位移增大。這與結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的特性相吻合。即，溫度下降，導(dǎo)致連續(xù)梁段整體收縮，從而引起端部的位移變大。溫度升高，導(dǎo)致相反的結(jié)果。

3 結(jié)語

作為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量，位移容易直觀反映出結(jié)構(gòu)的受力狀況。研究表明，橋梁的梁端伸縮縫位移與溫度具有明顯的相關(guān)性［5］。在此基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測梁端位移與溫度的相關(guān)性特征，能夠掌握梁端位移隨溫度的變化規(guī)律。此外，統(tǒng)計分析獲得的最大位移值與伸縮縫結(jié)構(gòu)設(shè)計量程間的比較結(jié)果，可以作為評判結(jié)構(gòu)是否處于安全工作狀態(tài)下的指標(biāo)之一。

圖5 梁端位移與溫度相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 Relations between beam-end displacement and temperature

［1］丁幼亮，周 凱，王高新，等.蘇通大橋斜拉橋伸縮縫位移的長期監(jiān)測與分析［J］.公路交通科技，2014（7）：60-64.

［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］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.

［4］鄧揚(yáng)，李愛群，丁幼亮.大跨懸索橋梁端位移與溫度的相關(guān)性研究及其應(yīng)用［J］.公路交通科技，2009，26（5）：54-58.

［5］鄧揚(yáng)，李愛群，丁幼亮，等.基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫損傷識別［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，41（2）：336-341.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Expansion Joint Disp lacement M onitoring Technology of W uhan Tianxingzhou Yangtse Bridge

TANG Hua-rui1,NING Qiang2
(1.Wanfang College of Science&Technology HPU,Zhengzhou 451400,Henan,China; 2.Jiangsu Fasten Optoelectronics Technology Co.,Ltd.,Wuxi 214400,Jiangsu,China)

The bridge structure displacement is an important factor of its structure safety.The excessive structure displacement will not only cause the overrun of strain,also affect the bridge normal use.The structure displacement change can reflect the structure internal problems.The Wuhan Tianxingzhou Yangtze Highway-Railway Bridge of dual-use is set as a research object,it monitors the displacement expansion joint by using grating displacement sensor,and judges the safety of structure with beam displacement test data.

Wuhan Tianxingzhou Yangtze Bridge;expansion joint;displacementmonitoring;technology analysis

U442.4

A

1008-486X（2015）03-0035-03

2015-04-08

唐華瑞（1984-），女，河南滎陽人，講師/工程師，碩士，主要從事橋梁工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。