王金山 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

劉繼琛 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京橋工段

1 概述

蕪湖長江大橋是國家“九五”重點(diǎn)交通建設(shè)項(xiàng)目，也是我國在長江上建造的第一座公鐵兩用斜拉橋，于1997年3月22日正式開工，2000年9月建成通車。其中正橋共5聯(lián)14孔，位于0#墩～14#墩之間，其中主航道橋?yàn)榭鐝剑?80+312+180）m的矮塔斜拉橋，2017年9月上海鐵路局和中鐵大橋院聯(lián)合開發(fā)的基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的橋梁健康檢測系統(tǒng)首次運(yùn)用于蕪湖長江大橋（見圖1）。本文通過對蕪湖長江大橋各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置處限值進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合健康檢測系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，運(yùn)用結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理念對蕪湖長江大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估，力求探索針對跨江級長大橋梁進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)橋的新舉措。

圖1 淮南線蕪湖長江大橋?qū)崢蚴疽鈭D

2 橋梁檢測系統(tǒng)概述

橋梁的長期監(jiān)測系統(tǒng)是由傳感器系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、評估系統(tǒng)、信息顯示及后處理系統(tǒng)組成，它通過對結(jié)構(gòu)長期、連續(xù)、定期或?qū)崟r(shí)的監(jiān)測，并通過對監(jiān)測信息的收集和分析處理，對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評估以及對結(jié)構(gòu)運(yùn)營中出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。

蕪湖長江大橋檢測系統(tǒng)按功能層次分為5個(gè)子系統(tǒng)：自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測子系統(tǒng)、人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)、綜合預(yù)警安全評估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 蕪湖長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能總框架圖

運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)由以上五個(gè)子系統(tǒng)組成，其中自動(dòng)化監(jiān)測子系統(tǒng)、交通監(jiān)測子系統(tǒng)用于荷載源、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場信息的采集，并將獲取的數(shù)據(jù)作一定預(yù)處理后，統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)中，然后使用軟件中計(jì)算工具進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合各特征參數(shù)設(shè)定的安全限值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合報(bào)警和狀態(tài)評估功能，并由用戶界面子系統(tǒng)完成人機(jī)交互工作（包括監(jiān)測結(jié)果、評估結(jié)論的圖表顯示，人工信息的錄入，指令的輸入等）。

3 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

空間有限元模型采用 MIDAS建立，由于蕪湖長江大橋?qū)儆诎崩瓨?，部分?gòu)件尺寸不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)。蕪湖長江大橋公路橋面采用 4節(jié)點(diǎn)板單元建立，主梁和主塔采用兩單元建立，拉索采用桁架單元。其他無結(jié)構(gòu)功能的附屬部分，如瀝青鋪裝層、公路人行道及枕木和路軌等均轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量附加在節(jié)點(diǎn)上，其空間有限元模型如圖3所示。

圖3 蕪湖長江大橋空間有限元模型

3.1 成橋預(yù)拱度

采用蕪湖長江大橋恒載+1/2活載計(jì)算橋梁的預(yù)拱度值，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 蕪湖長江大橋預(yù)拱度圖/m

3.2 溫度作用

蕪湖長江大橋結(jié)構(gòu)溫度荷載采用系統(tǒng)溫度整體升溫、降溫 25℃時(shí)的結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)值，其主梁線形在升高和降低25℃時(shí)變形如圖5、圖6所示。

圖5 升溫結(jié)構(gòu)變形圖

圖6 降溫結(jié)構(gòu)變形圖

3.3 鐵路荷載

鐵路荷載采用中活載設(shè)計(jì)，由于鐵路部分荷載對結(jié)構(gòu)影響較大，其雙線鐵路偏載及滿載作用下結(jié)構(gòu)變形圖如圖7、圖8所示。

圖7 雙線鐵路偏載結(jié)構(gòu)變形圖

圖8 雙線鐵路滿載結(jié)構(gòu)變形圖

4 蕪湖長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)檢測限值設(shè)定

為滿足大跨橋梁運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理要求，保證橋面行車的安全順暢，及時(shí)報(bào)告橋梁異常狀態(tài)設(shè)定大橋各個(gè)測點(diǎn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)，通過各個(gè)指標(biāo)的變化來判斷大橋的運(yùn)行狀態(tài)。通過設(shè)置大橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置限值來對測點(diǎn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行判定，如果限值取值太大，系統(tǒng)起不到報(bào)警作用；限值取值太小，系統(tǒng)很可能會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)。因此，準(zhǔn)確的設(shè)定限值是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)報(bào)警的關(guān)鍵所在。

目前，常用的限值設(shè)定方法基本分為以下三類：

（1）通過有限元建模對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)進(jìn)行分析，組合最不利工況，計(jì)算得到各個(gè)測點(diǎn)指標(biāo)的上、下包絡(luò)最為參考依據(jù)設(shè)定指標(biāo)限值。

（2）通過健康監(jiān)測歷史統(tǒng)計(jì)信息得出各個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)長期的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在掌握結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)程規(guī)律的前提下設(shè)定指標(biāo)限值。

（3）結(jié)合有限元軟件計(jì)算及健康監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律設(shè)定指標(biāo)限值。

目前，報(bào)警線的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為橋梁極限荷載作用下的包絡(luò)值，為了防止健康監(jiān)測系統(tǒng)在部分突發(fā)狀態(tài)下響應(yīng)不及時(shí)，從而在結(jié)構(gòu)報(bào)警值前設(shè)定指標(biāo)的警戒值。警戒值的大小取為正常運(yùn)營極限值的75%，此時(shí)的安全系數(shù)為1/0.75=1.33，預(yù)留了部分空間以判斷是否需要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)營狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的健康評估。香港的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)此前這一數(shù)值為0.6，根據(jù)長期監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)修改為現(xiàn)在的0.75，這一數(shù)值也被美國公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)（AASHTO）采納入橋梁分類辦法等規(guī)范中。

按照上述原則的三級限值（兩線三狀態(tài)）示意圖如圖9所示，“兩線”是指預(yù)警線和報(bào)警線，“三狀態(tài)”是指正常監(jiān)測狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。

圖9 健康監(jiān)測系統(tǒng)限值的三級限值示意圖

4.1 結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)限值

在大跨度斜拉橋的諸多參數(shù)中，位移和形變是極為重要的參數(shù)，它是結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的宏觀反映。橋梁的線形在不同因素的激勵(lì)和影響下會(huì)發(fā)生變化，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的關(guān)鍵點(diǎn)位移，可以了解橋梁的線形狀況和變形規(guī)律。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)在系統(tǒng)建設(shè)完工之后需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，以成橋狀態(tài)為基準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)主梁撓度、支座位移和主塔傾斜均設(shè)置為0點(diǎn)，監(jiān)測其運(yùn)營階段變形的變化值，因此，取車輛活載、溫度作用及風(fēng)荷載的最不利組合結(jié)果作為初始預(yù)警限值設(shè)置依據(jù)。蕪湖長江大橋主跨跨中設(shè)計(jì)撓跨比為1/508，邊跨跨中設(shè)計(jì)撓跨比為 1/700。規(guī)范參考值依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1-99）第5.1.2條及《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》[2010]38號第2.4.1條設(shè)置（見表1）。

表1 變形計(jì)算限值/mm

4.2 索力限值

斜拉橋索力狀態(tài)是衡量大橋是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。通過對索力的監(jiān)測，不僅能為從總體上評估大橋的安全性和耐久性提供依據(jù)，同時(shí)也能在一定程度上反應(yīng)防護(hù)系統(tǒng)是否完好，鋼絲是否銹蝕等。索力限值的確定主要依據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007）第3.4.1條通過索力及斜拉索振動(dòng)斜拉索長度質(zhì)量關(guān)系并進(jìn)行簡化計(jì)算來確定。具體計(jì)算公式為：

索力限值T=4mlf/n;

其中m為斜拉索每延米的質(zhì)量，l為斜拉索的長度，f為索的振動(dòng)頻率，n為振動(dòng)階數(shù)。

每根斜拉索限值如表2所示。

表2 斜拉索索力限值設(shè)定/kN

4.3 豎向振動(dòng)限值

應(yīng)變監(jiān)測內(nèi)容主要為主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變，應(yīng)變根據(jù)荷載最不利組合內(nèi)力結(jié)果計(jì)算。由于橋面板與鋼橫梁應(yīng)變難以準(zhǔn)確計(jì)算，且主要受車輛荷載影響，因此參考成橋荷載試驗(yàn)結(jié)果擬定。塔柱的水平向應(yīng)力難以計(jì)算，對于這類測點(diǎn)的應(yīng)力限值，需在測點(diǎn)采集到足夠的數(shù)據(jù)后根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法確定（見表3）。

表3 主梁豎向振動(dòng)加速度限值表/(mm/s2)

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總分析

5.1 結(jié)構(gòu)變形分析

全橋撓度測點(diǎn)分布在六個(gè)主要橫截面，分別是兩側(cè)邊跨跨中、兩主塔位置及中跨跨中，分別布置在上、下游下弦桿上部。取每天天窗時(shí)間 00∶00∶00-01∶00∶00 時(shí)段均值作為撓度數(shù)據(jù)代表值，如表4所示。

表4 撓度測點(diǎn)數(shù)據(jù)代表值/mm

5.2 拉索索力分析

蕪湖長江大橋拉索加速度測點(diǎn)主要分布在4個(gè)截面，上、下游對稱布置本橋的索力監(jiān)測采用索力動(dòng)測儀，通過頻率識別法簡接測量索力。頻率法具有良好的動(dòng)態(tài)性和可實(shí)施性，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響小，也是應(yīng)用較為廣泛的一種方法。拉索索力監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 索力特征值統(tǒng)計(jì)表/kN

5.3 振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

蕪湖長江大橋振動(dòng)傳感器主要分布在5個(gè)截面，分別為9#、12#墩及主跨1/4截面，1/2截面，3/4截面豎向振動(dòng)分析。

蕪湖長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)采樣頻率為100 Hz，濾波器采用巴特沃斯低通濾波器，阻帶截止頻率20 Hz。加速度峰值最大值為209.67 mm/s2，發(fā)生在主跨跨中上行位置。豎向振動(dòng)加速度量值在正常范圍內(nèi)，無異常情況發(fā)生（見表6）。

表6加速度響應(yīng)特征值表/（mm/s2）

對比各項(xiàng)實(shí)測代表值與上一節(jié)提到的各個(gè)限值，發(fā)現(xiàn)實(shí)測值均在限值包絡(luò)圖之內(nèi)，由此可證明結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均正常無損傷現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

本文給出了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)限值的概念及確定方法，采用有限元方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；并針對本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置，給出了每個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測限值，為健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、離線評估等工作提供了依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）本文主要用傳感器和相關(guān)工具去觀察蕪湖長江大橋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正常使用 荷載組合下的位移和應(yīng)力分布的實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示各檢測項(xiàng)目監(jiān)測值均在限值范圍之內(nèi)，由此證明蕪湖大橋無結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象。

（2）運(yùn)用有限元模型以及參考大橋院提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，對蕪湖長江大橋各項(xiàng)結(jié)構(gòu)檢測項(xiàng)目限值進(jìn)行了初步設(shè)定。有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控有的比較，實(shí)現(xiàn)了健康檢測的可控性。

（3）本文進(jìn)行了包括力學(xué)作用及溫度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，以及包括基本動(dòng)力特性分析；參考了鐵科院榮振環(huán)先生在蕪湖大橋長期監(jiān)控疲勞損傷研究中的部分結(jié)論并且引用了同濟(jì)大學(xué)許俊在斜拉橋索力計(jì)算的方法。盡管如此，上述限值計(jì)算只能作為健康監(jiān)測系統(tǒng)的一個(gè)初步設(shè)定值，在后續(xù)的長期監(jiān)測過程中應(yīng)在大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上評估初步設(shè)定限值的合理性。