基于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的安慶長(zhǎng)江大橋車(chē)輛荷載監(jiān)測(cè)及分析

胡學(xué)玲，汪名玉

（安徽安慶長(zhǎng)江公路大橋有限責(zé)任公司，安徽 安慶 230008）

車(chē)輛荷載是運(yùn)營(yíng)期橋梁的主要荷載之一，車(chē)輛超載則是橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的主要原因。近些年隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，運(yùn)輸車(chē)輛尤其是大型重型運(yùn)輸車(chē)輛的增多，公路超載現(xiàn)象日益嚴(yán)重。目前，英國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范都基于交通調(diào)查，給出了疲勞設(shè)計(jì)荷載譜或疲勞車(chē)輛荷載模型［1-3］。我國(guó)處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，具有交通量大，超重車(chē)輛比例高等特點(diǎn)［4］，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，進(jìn)行重要干線上的車(chē)輛荷載監(jiān)測(cè)和評(píng)估，具有重要的工程意義和指導(dǎo)作用。

本文通過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)安慶長(zhǎng)江大橋的車(chē)輛荷載狀況進(jìn)行評(píng)估分析，以進(jìn)一步指導(dǎo)橋梁的養(yǎng)護(hù)管理決策，保證橋梁的健康運(yùn)行。

1 概述

安慶長(zhǎng)江公路大橋全長(zhǎng)5 985.66 m，主橋?yàn)?跨連續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨長(zhǎng)510 m。大橋全線按雙向4車(chē)道、高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋上各車(chē)道的通行車(chē)輛荷載，評(píng)估橋梁狀況，并指導(dǎo)橋梁常規(guī)性檢查與管養(yǎng)，考慮安裝動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，但由于安慶大橋主橋?yàn)殇撓淞?，沒(méi)法安裝動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，只能將系統(tǒng)安裝在大橋南北引橋兩端入口處。

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)是安慶長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一部分，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋中跨位置的車(chē)輛載荷與交通流數(shù)據(jù)。健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析主要是車(chē)輛荷載對(duì)主橋的影響，由于各個(gè)車(chē)輛的車(chē)速不一樣，在引橋上所測(cè)的車(chē)輛組合到主橋時(shí)組合就不一樣，為此，在大橋上南北兩塔再分別安裝高清攝像機(jī)，對(duì)行駛至大橋接近中跨位置的車(chē)輛進(jìn)行二次抓拍。大橋南北兩塔高清攝像機(jī)分別將采集到的車(chē)輛數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)有光纜實(shí)時(shí)傳送給管理中心的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件。安慶長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件通過(guò)訪問(wèn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)碼作為唯一匹配標(biāo)識(shí)，重新確定每輛車(chē)行駛至大橋接近中跨位置的日期、時(shí)間和車(chē)道。通過(guò)這種間接方式即可實(shí)時(shí)獲得大橋中跨位置的車(chē)輛載荷與交通流數(shù)據(jù)。

2 基于健康監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估分析

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量反映大橋關(guān)鍵部件的環(huán)境激勵(lì)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)的相關(guān)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的工作性能和評(píng)價(jià)大橋的工作條件，以保證大橋的安全運(yùn)營(yíng)及為大橋的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。安慶長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的幾何線形及其變化，研究索塔與主梁撓度變化與環(huán)境變化的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供幫助。

安慶大橋在南北塔頂和主跨跨中上下游各布置了一個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)，圖1為2014-10-01全天安慶大橋主跨上游側(cè)跨中豎向位移趨勢(shì)。從圖中可以看出，在這一天內(nèi)跨中豎向變形變化在0.1 m左右。其中在16∶00~20∶00期間，跨中豎向變形變化很大。為了分析影響主跨豎向撓度大變化的主要原因，選取14∶00~18∶00期間（從一個(gè)較穩(wěn)定的過(guò)程到一個(gè)變化較大的過(guò)程）主梁豎向變形和各環(huán)境因素（風(fēng)、溫度、交通荷載等）數(shù)據(jù)，做進(jìn)一步分析，其中風(fēng)、溫度等環(huán)境信息可以由健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得。

圖1 2014-10-01主跨跨中豎向位移

圖2 為通過(guò)風(fēng)速儀獲得的主跨跨中上游側(cè)風(fēng)速情況，14∶00~18∶00風(fēng)速較小，實(shí)時(shí)風(fēng)速在5 m/s以?xún)?nèi)（2~3級(jí)風(fēng)），風(fēng)對(duì)跨中豎向變形的影響可以忽略。圖3為通過(guò)空氣溫濕度計(jì)獲得的主跨跨中上游大氣溫度，在該期間溫度呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，變化范圍在3 ℃以?xún)?nèi)，相比較一天的溫度變化量較小，溫度對(duì)跨中豎向變形的影響較小。

圖2 風(fēng)速變化趨勢(shì)

圖3 大氣溫度變化趨勢(shì)

為了進(jìn)一步研究影響跨中豎向位移的主要因素，結(jié)合動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)（如車(chē)軸信息、車(chē)重、車(chē)速等）建立大橋主跨車(chē)輛荷載識(shí)別算法，實(shí)時(shí)反映任意時(shí)刻主跨車(chē)輛分布狀況。圖4為14∶00~18∶00跨中豎向位移最大和最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻（分別對(duì)應(yīng)16:08:06和14:10:44）主跨車(chē)輛荷載分布示意圖。由圖4（a）、（b）可以看出，無(wú)論是在車(chē)的數(shù)量上還是總軸重上16∶08∶06時(shí)刻的數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)14∶10∶44時(shí)刻的數(shù)據(jù)。因此可以得出車(chē)輛荷載是導(dǎo)致在橋梁主跨跨中發(fā)生位移變化的主要原因。

圖4 安慶大橋主橋車(chē)輛實(shí)時(shí)分布示意圖

3 結(jié)論

本文綜合應(yīng)用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)導(dǎo)致橋梁跨中撓度變化的原因進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，在14∶00~18∶00期間風(fēng)速、溫度對(duì)橋梁豎向跨中撓度的影響較小，通行車(chē)輛荷載是造成豎向跨中撓度變化的主要原因；應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超重車(chē)輛的管理，減少車(chē)輛荷載對(duì)橋梁的疲勞損傷。

［1］BS 5400英國(guó)橋梁規(guī)范［S］.

［2］美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì).美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.辛濟(jì)平，萬(wàn)國(guó)朝，張文譯.北京：人民交通出版社，1997.

［3］ 陳惟珍，劉兆吉，楊光.我國(guó)公路鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范亟待更新［J］.橋梁建設(shè)，2006（5）：53-55.

［4］ 孫守旺，孫利民.基于實(shí)測(cè)的公路橋梁車(chē)輛荷載統(tǒng)計(jì)模型［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（2）：198-204．