南倉(cāng)編組站斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□文/齊懷展 吳立勇 何立忠

□吳立勇/天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司。

□何立忠/天津市市政工程研究院。

南倉(cāng)編組站斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□文/齊懷展 吳立勇 何立忠

針對(duì)天津南倉(cāng)編組站斜拉橋大跨徑異型獨(dú)塔斜拉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)大跨徑異型獨(dú)塔斜拉橋的橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、拉索索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動(dòng)力特性等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估。

斜拉橋；健康監(jiān)測(cè)；優(yōu)化布置；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用，使用、維護(hù)不當(dāng)?shù)热藶橐蛩匾约叭找嬖黾拥慕煌髁坑绊?，大跨度橋梁隨著橋齡的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能發(fā)生退化。理論研究和經(jīng)驗(yàn)都表明，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別和橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的損傷檢測(cè)、預(yù)警及適時(shí)維修有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。南倉(cāng)編組站斜拉橋作為異型獨(dú)塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)形式新穎、體系受力復(fù)雜、橋梁交通流量大，有必要建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

工程概況

南倉(cāng)編組站斜拉橋?yàn)楠?dú)塔4索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用塔梁固結(jié)形式。橋跨布置為150m+150m，每幅橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主梁截面，兩邊主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，除塔梁固結(jié)區(qū)其他部分左右幅分離，主梁頂面全寬22.425m，頂面單向1.5%橫坡，梁高2.5m（標(biāo)準(zhǔn)斷面），塔梁固結(jié)區(qū)加高到3.5m，梁端梁高變化到2.9m。索塔采用雙人形塔，內(nèi)側(cè)塔柱在橋面以下合二為一。索塔底面高程1.7m，塔頂高程106.7m，索塔總高度為109.0m，橋面以上塔的高度84.0m。斜拉索為鍍鋅平行鋼絲拉索，采用扇形布置，每側(cè)主塔設(shè)21對(duì)斜拉索，全橋共計(jì)84對(duì)拉索。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，雙向8車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h。主橋立面圖及主梁斷面見(jiàn)圖1和圖2。

監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備選擇

南倉(cāng)編組站斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

由于橋位環(huán)境與氣象站差異較大且橋址位于臨海地區(qū)，受海洋氣候影響，因此應(yīng)在橋位處安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要目的和作用是通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)選擇合適的監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)；通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)激活危險(xiǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；通過(guò)風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)把握橋址處的風(fēng)荷載真實(shí)狀況；利用溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果修正監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)值和橋梁的動(dòng)力特性特征值；通過(guò)濕度和溫度監(jiān)測(cè)橋梁材料的耐久性狀況。

結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反應(yīng)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)能夠更為準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變；另外，部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致變形情況的異常，通過(guò)對(duì)變形的監(jiān)測(cè)也可識(shí)別出這些損傷來(lái)；橋面的變形與橋梁線形直接相關(guān)，通過(guò)橋梁線形的變化也可以判斷橋梁的適用性。

主梁標(biāo)高變化的監(jiān)測(cè)采用液壓連通測(cè)壓管監(jiān)測(cè)主梁靜態(tài)線形，其工作原理見(jiàn)圖4。

對(duì)于塔頂位移采用GPS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GPS采用實(shí)時(shí)差分進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度可達(dá)毫米級(jí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)集成和二次開(kāi)發(fā)，完全可以用于大型工程結(jié)構(gòu)的微觀測(cè)量。

索力監(jiān)測(cè)

南倉(cāng)編組站斜拉橋的主梁自重及汽車(chē)荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的構(gòu)件，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構(gòu)件起著牽一發(fā)動(dòng)全身的作用，因此準(zhǔn)確及時(shí)掌握拉索的內(nèi)力及變化特征至關(guān)重要。目前，可采用光纖傳感器、壓力環(huán)、磁通量傳感器、加速度傳感器等對(duì)拉索進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)。

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索力變化，采用磁通量傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集或遠(yuǎn)程操控。磁通量傳感器由激磁線圈和測(cè)量線圈兩層線圈組成，見(jiàn)圖5。其工作原理為磁彈儀給激磁線圈施加脈沖電壓信號(hào)，激磁線圈在拉索內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)在測(cè)量線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓；拉索受到荷載作用，應(yīng)力產(chǎn)生變化，引起拉索內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而測(cè)量線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓也發(fā)生變化，通過(guò)磁彈儀檢測(cè)出測(cè)量線圈上感應(yīng)電壓的微小變化，進(jìn)而推算出拉索索力。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)往往將導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布，所以對(duì)于應(yīng)力的異常變化應(yīng)給予足夠的重視并結(jié)合環(huán)境、變形等其他監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)綜合判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否處在安全及可控的范圍。

應(yīng)變監(jiān)測(cè)可采用的傳感器包括電阻應(yīng)變片、鋼弦式應(yīng)變傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等。在健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)變監(jiān)測(cè)選用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器技術(shù)是通過(guò)對(duì)光纖內(nèi)部寫(xiě)入的光柵反射或透射波長(zhǎng)光譜的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量。而光纖光柵的反射或透射波長(zhǎng)光譜主要取決于光柵周期和反向耦合模的有效折射率，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵波長(zhǎng)的漂移[1]。光纖光柵傳感器測(cè)量精度高、測(cè)試通道容量大、長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)定、不受電磁干擾，盡管溫漂大，但通過(guò)在應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)的光纖溫度傳感器對(duì)溫漂進(jìn)行修正后可以基本上消除溫度影響。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)損傷實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)局部剛度、質(zhì)量的損失，反映在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性上是結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有頻率和振型的變化。本系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)，即將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行比較，判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；進(jìn)一步對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)行多荷載和復(fù)雜環(huán)境條件下橋梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)深入計(jì)算分析并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定和預(yù)警。

結(jié)語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)涉及土木工程、力學(xué)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)和通信等多門(mén)學(xué)科，綜合性強(qiáng)，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)行研究探索，包括傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)損傷評(píng)定、狀態(tài)識(shí)別與安全性評(píng)估等。隨傳感器技術(shù)和安全評(píng)估等理論的不斷完善和發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必能成為橋梁安全運(yùn)營(yíng)、高效管理的有效手段。

[1]梁 磊，姜德生，周雪芳，等.光纖Bragg光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2003，1（2）：36-39.

U446.2

C

1008-3197（2010）05-41-03

2010-05-05

齊懷展/男，1981年出生，工程師，天津市市政工程研究院，從事橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測(cè)工作。

□吳立勇/天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司。

□何立忠/天津市市政工程研究院。