邢丹丹，歐陽(yáng)歆泓，張宇峰，彭家意

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；

2.長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112 3.江蘇省公路橋梁工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211112 4.江蘇省長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京 211112）

安慶長(zhǎng)江公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

邢丹丹1，2，3，4，歐陽(yáng)歆泓1，2，3，4，張宇峰1，2，3，4，彭家意1，2，3，4

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；

2.長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112 3.江蘇省公路橋梁工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211112 4.江蘇省長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京 211112）

根據(jù)安慶長(zhǎng)江公路大橋的結(jié)構(gòu)形式及橋址處的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合有限元分析計(jì)算，結(jié)果按照先進(jìn)、合理、適用等原則，對(duì)該橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

斜拉橋；健康監(jiān)測(cè)；測(cè)點(diǎn)布設(shè)；安全評(píng)估

1 工程概況

斜拉橋作為一種獨(dú)特的橋梁構(gòu)架形式，其在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于斜拉橋的抵御環(huán)境干擾的能力、結(jié)構(gòu)老化退化過程，以及營(yíng)運(yùn)期橋梁管理、使用、維護(hù)的方法等很多問題目前認(rèn)識(shí)尚不清楚。建立完善的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大橋進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)對(duì)及時(shí)掌握橋梁狀態(tài)，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)管理，延長(zhǎng)橋梁使用壽命有極其重要的意義。

安慶長(zhǎng)江公路大橋是國(guó)家“十五”重點(diǎn)工程，上離九江長(zhǎng)江公路大橋164 km，下距銅陵長(zhǎng)江大橋96 km，是滬蓉高速公路安徽段、安徽省沿江高速公路以及東營(yíng)至香港高速公路的交匯點(diǎn)，是國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要組成部分。安慶長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)?跨連續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，起迄點(diǎn)樁號(hào)為K20+118.5～K21+158.5，其結(jié)構(gòu)形式為主跨510 m的雙塔雙索面斜拉橋，邊跨設(shè)置3個(gè)橋墩，其跨徑布置為50 m+215 m+510 m+215 m+50 m=1 040 m。主梁采用扁平流線型鋼箱梁，主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面主要輪廓尺寸為含風(fēng)嘴頂板寬30.0 m，底板寬為（5.6+18.8+5.6）m，中心線處高度3.0 m，其上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)［1-2］。根據(jù)受力需要，箱梁頂、底板在順橋向不同區(qū)段采用不同的鋼板厚度，并用U型加勁肋加勁。腹板設(shè)置兩道平板加勁肋。箱梁沿橋縱向橫隔板間距4.0 m，橫向設(shè)置2道縱隔板，除豎向支撐區(qū)、壓重區(qū)及索塔區(qū)采用實(shí)體式縱隔板外，其他均為桁架式縱隔板。

索塔采用鋼筋混凝土分離上塔柱倒Y形索塔，索塔底、頂標(biāo)高分別為-3.250 m和181.531 m，總塔高184.781 m，索塔由下、中、上塔柱組成。下塔柱向外傾斜至下橫梁，中塔柱向內(nèi)傾斜至上橫梁，上塔柱垂直。索塔在橋面以上高度為133.420 m，高跨比為0.261 6。錨索區(qū)上塔柱為分離單箱單室多邊形斷面，索塔設(shè)上、中、下3道橫梁，均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主橋索塔采用C50高性能混凝土，普通鋼筋采用I～Ⅲ級(jí)鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力束管道采用金屬波紋管和塑料波紋管。全橋共128根斜拉索，采用OVM250型環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索，單根鋼絞線公稱直徑為Φj15.24 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。拉索根據(jù)索力不同，分為22、27、31、34、37、47、55孔共7種不同規(guī)格，最長(zhǎng)拉索為277 m，單根最大重量為16.79 t。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安慶長(zhǎng)江公路大橋于2004-12建成通車以后，每年定期進(jìn)行人工巡檢。通過最近幾年的巡檢發(fā)現(xiàn)：主橋鋼箱梁內(nèi)部多處出現(xiàn)裂縫，部分鋼箱梁內(nèi)部涂層脫落，甚至有部分鋼箱梁已經(jīng)發(fā)生輕微的銹蝕現(xiàn)象。雖然已經(jīng)對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的較嚴(yán)重的裂縫進(jìn)行了綁接鋼板焊接加固，但對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響還不可知。

為了驗(yàn)證主橋鋼箱梁裂縫、內(nèi)部涂層脫落及鋼箱梁銹蝕等病害對(duì)安慶大橋整體結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些退化是否會(huì)對(duì)橋梁的行車安全造成影響，甚至縮短橋梁的使用壽命，有必要針對(duì)安慶大橋，建立一套實(shí)時(shí)、有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)和評(píng)估安慶大橋在運(yùn)營(yíng)期間其結(jié)構(gòu)的承載能力、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和耐久能力等［3-5］。

在成橋初期，安慶長(zhǎng)江公路大橋曾局部建立一個(gè)有部分監(jiān)測(cè)參數(shù)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念、傳感器技術(shù)水平有限等種種原因，該系統(tǒng)一直沒有正常運(yùn)行。由于安慶長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)原系統(tǒng)建成已近10年，硬件設(shè)備又沒有經(jīng)過系統(tǒng)維護(hù)，大部分傳感器和采集、控制設(shè)備已經(jīng)老化，整體系統(tǒng)已經(jīng)癱瘓。經(jīng)有關(guān)專家通過對(duì)原系統(tǒng)的詳細(xì)檢查后確認(rèn)，除原先部分加速度傳感器可利用外（但需要對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定，確認(rèn)是否可用），大部分設(shè)備已經(jīng)老化或損壞。

為確保安慶長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立具備有效性和針對(duì)性，首先通過理論分析及有限元整體計(jì)算，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的主要控制構(gòu)件、控制節(jié)點(diǎn)和控制參數(shù)；將傳感器布置在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處、應(yīng)力變化最大處、位移最大處、幾何變形最大處、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析必須控制的點(diǎn)及環(huán)境荷載主要監(jiān)控點(diǎn)等地方，適當(dāng)考慮測(cè)點(diǎn)冗余；同時(shí)還需考慮對(duì)橋梁使用功能產(chǎn)生重要影響的參數(shù)，以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的有效對(duì)應(yīng)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析和有限元計(jì)算結(jié)果，最終設(shè)計(jì)完成的安慶長(zhǎng)江公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(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(jié)構(gòu)分析與評(píng)價(jià)子系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)。通過對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析處理監(jiān)測(cè)信息，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況和行車安全性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并對(duì)運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的故障及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

從傳感子系統(tǒng)來看，其主要采用了8類傳感器，監(jiān)測(cè)了11項(xiàng)指標(biāo)（見表1），其測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

表1 安慶長(zhǎng)江公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

從數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)來看，安慶長(zhǎng)江公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋位處采用了3個(gè)外站，以FDDI雙環(huán)光纖網(wǎng)與控制機(jī)房服務(wù)器相聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 安慶長(zhǎng)江公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)總體布置圖

圖2 安慶長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以2015-07安慶大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2、圖3、圖4所示。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：

（1）安慶大橋大氣溫度范圍為19～46.5 ℃，均在橋梁的設(shè)計(jì)溫度區(qū)間內(nèi)，因此未對(duì)橋梁產(chǎn)生明顯危害；

（2）安慶大橋南北塔的縱向位移最大值為0.2 m，橫向位移為0.1 m，主梁跨中豎向位移最大值為0.4 m，均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；

（3）安慶大橋斜拉索索力變化較小，最大變化率在7%以內(nèi)，符合橋梁斜拉索的實(shí)際受力狀態(tài)，并且計(jì)算得到的索力值均在報(bào)警值范圍內(nèi)；

（4）安慶大橋南北側(cè)伸縮縫位移變化趨勢(shì)一致，位移值均在報(bào)警值范圍內(nèi)；

（5）系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行正常，橋梁運(yùn)行狀態(tài)良好。

Analysis and Design for Structural Health Monitoring System of Anqing Yangtze River Highway Bridge

Xin Dandan1,2,3,4, Ouyang Xinhong1,2,3,4, Zhang Yufeng1,2,3,4, Peng Jiayi1,2,3,4
（1. JSTI Group, Nanjing 210017, China; 2. Key Laboratory of Long-span Bridge Health Inspection and Diagonsis Technology, Nanjing 211112, China; 3. Jiangsu Highway Bridge Engineering Technology Research Central, Nanjing 211112, China; 4. Jiangsu Long-span Bridge Health Monitoring Data Center, Nanjing 211112, China）

Combing with the structure and its circumstance of Anqing Yangtze river highway bridge, the layout scheme of the sensors of SHMS(structural health monitoring system) is optimized by finite element analysis and calculation according to the principles of advanced, reasonable and applicable, monitoring data are also analyzed.

cable-stayed bridge; health monitoring; sensors layout; safety estimation

U446.2

A

1672-9889（2016）05-0048-03

邢丹丹（1985-），女，江蘇南通人，工程師，主要從事橋梁健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)以及相關(guān)科研工作。