許科華，姚 騰，李 柔，繆長(zhǎng)青

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

自錨式懸索橋無(wú)需修建錨碇，主纜直接錨固在加勁梁上，對(duì)地質(zhì)條件要求低、受建設(shè)地形因素影響小。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)、造型輕巧美觀的自錨式懸索橋在市政橋梁工程建設(shè)中受到青睞，成為城市的標(biāo)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(gòu)件組成，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載、風(fēng)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(shí)還要承受較大的軸壓作用，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

目前，有關(guān)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(yán)重病害，如主纜防護(hù)破損開(kāi)裂導(dǎo)致主纜索體鋼絲銹蝕、錨桿鎖緊螺栓松動(dòng)導(dǎo)致吊桿松弛、支座固定螺栓松動(dòng)銹蝕導(dǎo)致偏移、散索鞍螺母松動(dòng)導(dǎo)致錨碇內(nèi)長(zhǎng)期空氣濕度較大等等，這些病害嚴(yán)重影響大橋的安全運(yùn)營(yíng)，甚至導(dǎo)致事故。建立大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁早期損傷與病害，進(jìn)行大橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)預(yù)警與評(píng)估，為大橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)，可以避免更大經(jīng)濟(jì)損失和重大事故的發(fā)生。因此，開(kāi)展自錨式懸索橋健康監(jiān)測(cè)等方面研究是非常必要的[4-6]。

本文以煙臺(tái)夾河大橋工程為背景，基于大橋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)易損性分析、海岸橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境分析，進(jìn)行了海岸獨(dú)塔自錨式懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)于數(shù)據(jù)處理方法、預(yù)警方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

夾河大橋位于煙臺(tái)市濱海西路夾河入?？?，是煙臺(tái)海岸線的標(biāo)志性建筑(見(jiàn)圖1)。橋梁全長(zhǎng)1 398.40 m，其中主橋?yàn)楠?dú)塔雙主跨鋼混組合梁自錨式懸索橋，主跨跨徑為(115+115)m(見(jiàn)圖2)。大橋?qū)?9.8 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)索距8 m。主塔為門式框架混凝土結(jié)構(gòu)，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(kāi)裂。主塔處設(shè)活動(dòng)支座和橫向抗風(fēng)支座，并安裝了4個(gè)縱向阻尼器。加勁梁采用鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。主橋橋型總體布置如圖3所示。

大橋設(shè)計(jì)等級(jí)為城市A級(jí)，結(jié)構(gòu)保證基準(zhǔn)期100年，基本風(fēng)速為31.4 m/h，結(jié)構(gòu)混凝土耐久性按Ⅲ類環(huán)境設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)特性分析與易損性分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性分析

海岸橋梁除了承受自身重量和運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用外，還要承受臺(tái)風(fēng)、波浪荷載、溫度的作用。夾河大橋處于入?？?，運(yùn)行車輛和海洋環(huán)境下風(fēng)浪共同作用對(duì)大橋運(yùn)營(yíng)及行車安全構(gòu)成威脅。

為了掌握運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下海岸獨(dú)塔自錨式懸索橋的力學(xué)性能，采用大型有限元分析軟件Midas建立全橋結(jié)構(gòu)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?jiǎn)卧M。主塔、邊墩樁基通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(cè)評(píng)數(shù)據(jù)和氣候環(huán)境資料數(shù)據(jù)，進(jìn)行了車輛荷載、溫度、風(fēng)荷載等荷載及其組合作用下大橋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析和動(dòng)力特征分析。并分析了臺(tái)風(fēng)等極端氣候時(shí)不同風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)下大橋的振動(dòng)響應(yīng)。表1給出了大橋結(jié)構(gòu)前10階自振頻率和振型特征說(shuō)明。圖5給出了前6階振型圖。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果

靜動(dòng)力分析表明：在車輛荷載和風(fēng)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(yùn)營(yíng)的舒適性?；钶d作用對(duì)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(fēng)荷載和環(huán)境腐蝕的耦合作用容易導(dǎo)致吊索腐蝕疲勞損傷。主梁跨中位移、纜索振動(dòng)、吊索內(nèi)力、主梁梁端位移在運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)管理中需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 易損性分析

根據(jù)靜動(dòng)力荷載作用下大橋結(jié)構(gòu)特性分析結(jié)果，結(jié)合夾河大橋所處環(huán)境特點(diǎn)，可知夾河大橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

1)橋跨線型的變化、鋼-混凝土組合梁的開(kāi)裂、伸縮縫和排水系統(tǒng)的損壞等。由于跨度較大，海浪對(duì)于索塔沖刷作用、索塔的沉降、臺(tái)風(fēng)作用等都會(huì)引起橋跨結(jié)構(gòu)線型的變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不利，影響大橋安全運(yùn)營(yíng)。位移變化是評(píng)價(jià)橋梁行車安全性、整體剛度以及結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行可靠的測(cè)試至關(guān)重要。

2)自錨式懸索橋的主纜和吊桿在反復(fù)作用的荷載下，容易發(fā)生疲勞破壞。同時(shí)大橋處于海岸，環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，由此導(dǎo)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(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在運(yùn)營(yíng)荷載作用下，不可避免的會(huì)產(chǎn)生裂縫。裂縫的出現(xiàn)會(huì)大大加快混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕，降低塔梁結(jié)構(gòu)承載力。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案

夾河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四個(gè)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(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)。

這四個(gè)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(guān)鍵部位的信號(hào)；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集方式獲取數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)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(hào)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射回控制中心；數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)進(jìn)行成數(shù)據(jù)處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)，根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征參數(shù)提取和處理；結(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)評(píng)估預(yù)警方法進(jìn)行分析、閾值判別，提供報(bào)警信息。

3.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與布置

為了使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器發(fā)揮最大作用，傳感器主要布置在結(jié)構(gòu)參數(shù)響應(yīng)敏感處。如應(yīng)力最大處、位移最大處、結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)控制點(diǎn)及環(huán)境影響特征點(diǎn)等。同時(shí)考慮監(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)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)和易損性分析，結(jié)合橋址區(qū)運(yùn)營(yíng)環(huán)境特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)受力特性與構(gòu)造特點(diǎn)，考慮項(xiàng)目投資的經(jīng)濟(jì)性，考慮監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇與測(cè)點(diǎn)布置，包括：風(fēng)荷載、溫度荷載、結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀況、主纜及吊索索力、主跨撓度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)位移和混凝土開(kāi)裂，環(huán)境腐蝕參數(shù)等。

1)風(fēng)速風(fēng)向：主塔塔頂處1臺(tái)。

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

3)結(jié)構(gòu)溫度：分別在主梁跨中上下游頂板各布置2個(gè)，共布置4個(gè)結(jié)構(gòu)溫度傳感器；在主塔內(nèi)選取主梁、承臺(tái)2個(gè)截面，每個(gè)截面各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)振弦式溫度計(jì)。

4)GPS位移監(jiān)測(cè)：在主跨跨中上下游各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，主塔塔頂各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，橋址附近布置1個(gè)GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

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

6)振動(dòng)與索力：在左右跨中截面上下游布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在主塔塔頂塔中各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)雙向加速度傳感器；在上下游2號(hào)、4號(hào)吊索，主纜跨中各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)加速度傳感器。

7)結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測(cè)：主梁跨中截面、塔梁連接處梁截面、錨固區(qū)梁截面的鋼結(jié)構(gòu)，各布設(shè)8個(gè)焊接式電阻應(yīng)變計(jì)，共計(jì)5個(gè)截面40個(gè)焊接式電阻應(yīng)變計(jì)。

8)混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)：在主塔橫梁處塔柱內(nèi)選取2個(gè)截面，每個(gè)截面布設(shè)4個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)；主梁跨中截面，每個(gè)截面在組合梁混凝土結(jié)構(gòu)布置8個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，共計(jì)24個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)。

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

表2 傳感器數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與結(jié)構(gòu)預(yù)警識(shí)別系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及評(píng)估預(yù)警要求，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到各種數(shù)據(jù)進(jìn)行特征參數(shù)提取、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)警分析設(shè)置。

風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：該橋處于海岸，風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析是極其重要的工作。通過(guò)風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)信息，參考相應(yīng)地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，根據(jù)對(duì)橋面安全行車專題研究成果的考量，設(shè)計(jì)風(fēng)速儀控制警告參數(shù)。將其作為高級(jí)別預(yù)警指標(biāo)，對(duì)通過(guò)橋梁車輛類型進(jìn)行分級(jí)限行。

車輛荷載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)車輛荷載下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)狀況設(shè)定車流量預(yù)警參數(shù)，用于控制汽車流量，這里和結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)需要進(jìn)行區(qū)分。將其作為高級(jí)別預(yù)警指標(biāo)，對(duì)通車流量進(jìn)行限制。

主梁撓度和裂縫監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果參考規(guī)范要求確定。將以上兩項(xiàng)作為高級(jí)別預(yù)警指標(biāo)，對(duì)橋梁是否需要禁行修繕做出判斷。

主纜及吊索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制警告參數(shù)建立：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果參考規(guī)范要求確定，將以上兩項(xiàng)作為高級(jí)別預(yù)警指標(biāo)，對(duì)橋梁是否需要禁行修繕做出判斷。

其余效應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的效應(yīng)值，包括：加速度、位移和應(yīng)力等，按照設(shè)計(jì)規(guī)范和有限元模擬情況對(duì)各個(gè)初始效應(yīng)值警告值進(jìn)行調(diào)整(例如：針對(duì)實(shí)際跨中水平位移為位移控制警告參數(shù)等)。這些作為低級(jí)別預(yù)警指標(biāo)，對(duì)橋梁檢修決策起參考作用。

5 結(jié)語(yǔ)

以煙臺(tái)夾河大橋工程為背景，進(jìn)行了大橋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析、易損性分析、海岸橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境分析，然后進(jìn)行了海岸獨(dú)塔自錨式懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，提出了數(shù)據(jù)處理方法、預(yù)警方法。