基于GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋中塔位移狀態(tài)分析

張立奎，徐一超

（1.安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230051；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 概述

懸索橋以其受力性能好、跨越能力大、輕型美觀、抗震性能好而成為千米級(jí)主跨橋梁的首選橋型。在寬闊深水的江河和海域，多塔多跨連續(xù)懸索橋從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是極為合理的選擇。

早在上世紀(jì)30年代，建設(shè)美國(guó)舊金山-奧克蘭海灣大橋時(shí)，就曾采用類似的設(shè)計(jì)方案，采用在2座懸索橋中間共用錨碇的方式滿足剛度的要求。在此之后，國(guó)外多個(gè)著名海峽跨海工程中都曾出現(xiàn)多塔懸索橋的設(shè)計(jì)方案，如意大利墨西拿海峽中提出的雙主跨1 750 m方案，直布羅陀海峽中提出的多種多塔多跨度懸索橋方案。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的學(xué)者和橋梁大師也在對(duì)多塔懸索橋進(jìn)行深入的探索研究，并在馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋和泰州長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目建設(shè)上得到實(shí)施。

與兩塔懸索橋相比，三塔懸索橋的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是中塔的技術(shù)處理，需合理選取中塔的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)而協(xié)調(diào)解決三塔懸索橋關(guān)鍵技術(shù)問題以實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。三塔懸索橋在設(shè)計(jì)階段都對(duì)中塔進(jìn)行了充分的理論論證和有限元計(jì)算分析，如鄒科官等［1］分析了中央扣對(duì)三塔懸索橋自振特性的影響；王萍等分析了多塔懸索橋的靜力和自振特性；阮靜［2］等研究了三塔懸索橋中塔結(jié)構(gòu)選型問題；梁鵬等［3］研究了三塔懸索橋靜動(dòng)力特性與中塔選型。隨著國(guó)內(nèi)主跨千米級(jí)三塔懸索橋泰州大橋和馬鞍山大橋的建成通車，以這2座橋?yàn)樵蛧?guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)該類懸索橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析或參數(shù)分析，但是對(duì)建成后中塔的正常工作狀態(tài)評(píng)估和安全性分析還很匱乏。

為了保障大型橋梁的建造和服役安全，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋采用了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以較全面地監(jiān)測(cè)環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和局部靜動(dòng)力狀態(tài)，把握橋梁結(jié)構(gòu)建造與服役全過程的受力與損傷演化規(guī)律。本文基于健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)首次對(duì)三塔懸索橋正常服役狀態(tài)下中塔的位移狀態(tài)特性展開研究，尋求與傳統(tǒng)兩塔懸索橋的力學(xué)行為差異。

2 工程概況

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋位于安徽省東部，全線總里程36.14 km，按全封閉、全立交6 車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速為100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路—I級(jí)。左汊主橋橋型方案為主跨2×1 080 m 三塔兩跨懸索橋，主橋凈寬33 m，立面布置圖見圖1，其中左汊懸索橋中塔采用鋼筋-混凝土疊合塔，塔柱全高178.8 m，見圖2。右汊主橋?yàn)橹骺?×260 m 三塔斜拉橋，為國(guó)內(nèi)首座拱型塔三塔連跨斜拉橋。

圖1 馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左汊懸索橋

圖2 馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔立面圖、側(cè)面圖

3 關(guān)鍵技術(shù)問題

在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)三塔懸索橋的靜力、動(dòng)力特性進(jìn)行深入研究，對(duì)各種荷載、各種工況下的結(jié)構(gòu)受力變形特征進(jìn)行分析，找出控制性的工況和結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系，探索全面解決技術(shù)問題的最佳途徑。研究表明三塔懸索橋結(jié)構(gòu)特征與兩塔懸索橋的不同點(diǎn)在于：主纜與主塔間約束關(guān)系不同，即主纜對(duì)中塔塔頂?shù)募s束較兩塔懸索橋弱；加載工況不同，理論上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)主跨滿載、一個(gè)主跨空載的極端工況；習(xí)慣用來反映橋跨結(jié)構(gòu)剛度的撓跨比（撓度/跨度）的物理意義不同。這些不同點(diǎn)也形成了三塔懸索橋設(shè)計(jì)難點(diǎn)，其中關(guān)鍵點(diǎn)是中塔的技術(shù)處理。橋梁設(shè)計(jì)過程中合理選取中塔的結(jié)構(gòu)形式是解決三塔懸索橋的關(guān)鍵，為此需滿足以下幾方面要求：橋跨豎向剛度合適，加載跨的豎向撓度在一定范圍之內(nèi)；最不利工況作用下，由活載引起的橋面縱坡控制在合理范圍；主纜與鞍座間抗滑移問題得到較好的解決，主纜鍍鋅鋼絲與鞍座鞍槽間的摩擦力足夠保障抗滑移穩(wěn)定，無(wú)需大量增加其它附屬措施和采用不成熟或不可靠的技術(shù)；中主塔本身的強(qiáng)度安全有充分保障，中主塔在大橋服務(wù)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞損害；中塔的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，包括縱向與橫向穩(wěn)定；中主鞍座與中塔間的連接不難實(shí)現(xiàn)（連接的難易程度與中塔兩側(cè)不平衡力以及中塔采用的材料有關(guān)）；中塔及中塔基礎(chǔ)工程規(guī)模較?。ɑA(chǔ)規(guī)模與中塔底部尺寸、塔底反力相關(guān)）。

上述目標(biāo)相互制約，必須予以統(tǒng)籌考慮、協(xié)調(diào)解決，最終馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋中塔選用鋼筋-混凝土疊合塔。鋼筋-混凝土疊合塔剛?cè)嵯酀?jì)、剛度適中，上段鋼結(jié)構(gòu)對(duì)變形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，且鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，滿足受力需要；下段為混凝土結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護(hù)不存在問題，且可以很好地防船撞，混凝土中可施加預(yù)應(yīng)力，受力滿足要求。目前結(jié)合已經(jīng)建成的馬鞍山大橋，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)靜、動(dòng)力特性進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究［4-6］。但是目前的研究還是基于建模分析，與實(shí)際工程還有出入。本文首次對(duì)建成后的三塔兩跨懸索橋的中塔運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

4 三塔懸索橋中塔狀態(tài)分析

4.1 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過測(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)并為大橋的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)在左汊橋和縣一側(cè)塔頂、馬鞍山一側(cè)塔頂各1個(gè)，中塔塔頂2個(gè)，左汊橋和縣一側(cè)主梁1/2處2個(gè)（上下游各1），左汊橋馬鞍山一側(cè)主梁1/2處2個(gè)（上下游各1），監(jiān)控中心基站1個(gè)，共9個(gè)（具體測(cè)點(diǎn)布置圖見圖3）。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(風(fēng)、溫度、交通荷載)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)估提供資料。

圖3 馬鞍山大橋左汊懸索橋GPS監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 塔頂位移時(shí)程分析

系統(tǒng)實(shí)測(cè)得到的馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左汊懸索橋三塔水平向位移的位移時(shí)程曲線見圖4。由圖4可以看出，同一時(shí)間段內(nèi)，南北塔順橋向位移變化范圍在-0.05~0.06 m，中塔順橋向變化范圍在-0.2~0.25 m，中塔上下游橫橋向位移變化范圍在-0.06~0.08 m。通過對(duì)實(shí)橋三塔水平向位移的分析比較說明，對(duì)于三塔懸索橋，在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)需要加強(qiáng)對(duì)中塔順橋向結(jié)構(gòu)特性的監(jiān)測(cè)分析。同時(shí)結(jié)合有限元分析，考慮到馬鞍山大橋采用加勁梁與中塔固結(jié)的塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系，固結(jié)體系三塔兩跨懸索橋在活載單跨滿布時(shí)的整體位移如圖5所示，縱向固定約束減少了加勁梁縱向位移，中間塔縱向彎曲變形遠(yuǎn)大于邊塔，加勁梁撓度中間塔處幾乎為零，滿載側(cè)下?lián)?，空載側(cè)上撓，最大值都位于跨中附近，偏向于中間塔。

同時(shí)通過文獻(xiàn)［6］可知活載最不利影響線加載作用下中塔塔頂縱向最大偏位（位移）為1.367 m，縱向偏位與塔高比值為1/123。而基于GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得的運(yùn)營(yíng)期內(nèi)中塔塔頂順橋向最大位移為0.212 m，不到理論最大縱向偏位的15%。本文認(rèn)為造成這一結(jié)果的原因是：（1）實(shí)際通行車輛還遠(yuǎn)沒達(dá)到理論計(jì)算中的滿載量；（2）理論最大偏位量是在極端工況（一個(gè)主跨滿載、一個(gè)主跨空載）下得到的，正常運(yùn)營(yíng)期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)這種情況；（3）馬鞍山大橋剛建成不久，各塔梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，塔本身的強(qiáng)度安全有充分保障。因此，只有通過對(duì)中塔縱向位移進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和分析，比較各年度中塔縱向偏位的變化趨勢(shì)，推衍出中塔剛度衰退的規(guī)律才能對(duì)于馬鞍山大橋右汊懸索橋中塔穩(wěn)定性有較為科學(xué)直觀的評(píng)定。

圖4 馬鞍山大橋左汊懸索橋三塔水平向位移時(shí)程曲線圖

4.3 塔頂累計(jì)位移分析

相關(guān)研究表明，累計(jì)位移可作為判定在橋梁在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)中塔不因疲勞而損壞的重要依據(jù)之一［7］，中塔順橋向累計(jì)位移監(jiān)測(cè)可以為中塔的疲勞特性分析、穩(wěn)定性分析和安全評(píng)定提供理論基礎(chǔ)。

圖5 活載單跨滿布時(shí)固結(jié)體系三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)整體位移

圖6 為馬鞍山大橋左汊懸索橋三塔順橋向日累計(jì)位移值示意圖（各塔位移采樣頻率均為1Hz）。由圖6可以看出，對(duì)于三塔懸索橋，中塔順橋向日累計(jì)位移遠(yuǎn)大于南北塔，說明兩塔懸索橋和三塔懸索橋在中塔縱向剛度控制方面存在差異；相似環(huán)境狀態(tài)下，各塔順橋向變形的均勻性相對(duì)較好。

圖7 2014-12-15馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔順橋向變形與溫度對(duì)比

圖6 2014-12月中旬三塔塔頂順橋向累計(jì)變形

圖7 為2014-12-15馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔順橋向變形與溫度對(duì)比。從圖中可以看出，一天內(nèi)中塔順橋向變形“頭尾大、中間小”，溫度變化“先下降后升高”，順橋向變形與溫度變化之間相關(guān)性較差。分析其原因可能是由于一個(gè)主跨滿載、一個(gè)主跨空載導(dǎo)致；而中塔順橋向的位移變化，初步判斷是由于20：00~4:00通行車輛數(shù)目減少，大載重車輛比重較大所導(dǎo)致的，此結(jié)論還有待馬鞍山大橋疲勞車輛荷載譜進(jìn)一步證實(shí)。

5 結(jié)論

（1）正常運(yùn)營(yíng)下，馬鞍山大橋左汊懸索橋中塔的順橋向變形遠(yuǎn)大于南北塔順橋向變形和中塔的橫橋向變形。

（2）三塔懸索橋中塔順橋向變形與溫度變化之間的相關(guān)性不明顯，分析認(rèn)為順橋向變形與通行車輛有一定的相關(guān)性。

（3）對(duì)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋中塔變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)其累計(jì)變形并進(jìn)行有效分析，有助于對(duì)橋梁主塔狀態(tài)作出科學(xué)評(píng)價(jià)，進(jìn)而指導(dǎo)橋梁主塔的管養(yǎng)工作。

［1］鄒科官，王浩，梁書亭.中央扣對(duì)三塔懸索橋動(dòng)力特性的影響［J］. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，26（4）：49-53.

［2］阮靜，吉林，祝金鵬.三塔懸索橋中塔結(jié)構(gòu)選型分析［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，38（2）：106-111.

［3］梁鵬，吳向男，李萬(wàn)恒，等.三塔懸索橋靜動(dòng)力特性與中塔選型［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11（4）：29-35.

［4］楊光武，徐宏光，張強(qiáng).馬鞍山長(zhǎng)江大橋三塔懸索橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.橋梁建設(shè)，2010 （5）：7-11.

［5］唐賀強(qiáng)，張強(qiáng)，楊光武.馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋結(jié)構(gòu)體系選擇［J］.橋梁建設(shè)，2011（1）：5-9.

［6］高康平，張強(qiáng)，唐賀強(qiáng)，等.馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋中塔剛度研究［J］.橋梁建設(shè)，2011（5）：1-5.

［7］張宇峰，承宇，傅斌,等.基于健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的江陰長(zhǎng)江大橋伸縮縫狀態(tài)分析與評(píng)定［C］∥全國(guó)既有橋梁加固、改造與評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008：253-258.