鄂東長江公路大橋運(yùn)營期結(jié)構(gòu)監(jiān)測與分析

彭曉彬

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430051）

鄂東長江公路大橋運(yùn)營期結(jié)構(gòu)監(jiān)測與分析

彭曉彬

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430051）

超大跨度斜拉橋在運(yùn)營服役期間，由于受到活載、風(fēng)載、溫度、地震和船撞等外部因素以及材料性能變化、施工偏差及疲勞效應(yīng)等內(nèi)部因素的影響，其結(jié)構(gòu)特性和耐久性能可能與設(shè)計(jì)階段理想狀態(tài)發(fā)生較大偏差，極端情況下可能出現(xiàn)突如其來的功能喪失。因此有必要利用橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的使用性能和安全性進(jìn)行評估和確認(rèn)。以鄂東長江公路大橋?yàn)槔喴榻B其健康監(jiān)測系統(tǒng)、運(yùn)營期力學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)及安全性分析，可供同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測參考。

超大跨度；斜拉橋；結(jié)構(gòu)監(jiān)測；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安全性

0　引言

以懸索橋和斜拉橋?yàn)榇淼奶卮髽蛄海鳛橹匾Y(jié)構(gòu)物在運(yùn)營服役期間，要求時(shí)刻確保所要求的結(jié)構(gòu)性能和良好的耐久性能。然而由于受到活載、風(fēng)載、溫度、地震和船撞等外部因素以及材料性能變化、施工偏差及疲勞效應(yīng)等內(nèi)部因素的影響，其實(shí)際運(yùn)營過程中的結(jié)構(gòu)特性和耐久性能可能與設(shè)計(jì)階段理想狀態(tài)發(fā)生較大偏差，極端情況下可能出現(xiàn)突如其來的功能喪失。為了能夠保證結(jié)構(gòu)具有所要求的功能和特性，應(yīng)建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)、定期監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，定時(shí)、定量地評價(jià)橋梁的健康狀態(tài)，以保證大橋的安全運(yùn)營［1］。

目前國內(nèi)外在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方面做了很多工作，也提出了很多理論和體系研究，但由于對實(shí)際結(jié)構(gòu)性能的使用性能和安全性評價(jià)涉及到結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)、極限狀態(tài)等多方面的因素，因此要完全依靠健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行定量分析，并最終給出定性結(jié)論，還有很長的道路要走。

本文依托已建成通車的鄂東長江公路大橋工程，嘗試?yán)米詣?dòng)監(jiān)測和已采集的定量數(shù)據(jù)對該工程運(yùn)營期使用性能和安全性進(jìn)行初步評估，期翼為同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測起參考和借鑒的作用。

1　工程背景

鄂東長江公路大橋是滬渝高速公路湖北省東段和大慶至廣州高速公路湖北段的共用過江通道，橋址位于黃石長江公路大橋上游約1.3 km處。主橋?yàn)榫趴邕B續(xù)半漂浮雙塔混合梁斜拉橋，長1476m，跨徑布置為3×67.5m+72.5m+926m+72.5 m+ 3×67.5 m（見圖1），邊跨設(shè)置3個(gè)輔助墩和1個(gè)過渡墩。主梁中跨采用PK斷面鋼箱梁，邊跨采用相同形式的PK預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，鋼—混凝土結(jié)合面位于主跨側(cè)，距主塔中心線12.5 m。箱梁梁高3.8 m、梁寬38.0 m。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，中跨標(biāo)準(zhǔn)索距15 m，邊跨標(biāo)準(zhǔn)索距7.5 m；主塔采用“鳳翎”式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，北塔高242.5 m，南塔高236.5 m［2］。主跨鋼混結(jié)合梁段采用整體節(jié)段吊裝，其余梁段采用懸臂拼裝施工；邊跨混凝土梁采用支架現(xiàn)澆施工。

為隨時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)從施工到運(yùn)營整個(gè)生命期的內(nèi)力狀態(tài)及損傷情況，在橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段發(fā)出預(yù)警，對結(jié)構(gòu)調(diào)整、養(yǎng)護(hù)、維護(hù)及維修等行為進(jìn)行輔助決策，盡量延長橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營壽命，降低橋梁總體運(yùn)營成本，建立了鄂東長江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)核心部分主要分為數(shù)據(jù)采集及巡檢管理、結(jié)構(gòu)識別評估、結(jié)構(gòu)安全信息數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)安全控制輔助決策等5大子系統(tǒng)，見圖2。

圖2　結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)集成框架圖

該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是根據(jù)對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的系統(tǒng)研究，通過對結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試信息和巡檢信息的深加工來準(zhǔn)確把握和評估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的管理和養(yǎng)護(hù)。在這一系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集和人工巡檢是基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)安全信息的獲取是關(guān)鍵，二者相輔相成，缺一不可。其中數(shù)據(jù)采集是為了獲取結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果；人工巡檢主要是針對大橋管養(yǎng)人員可以到達(dá)的結(jié)構(gòu)部位，編制巡檢養(yǎng)護(hù)手冊，檢查和記錄結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面損傷、缺陷和病害等。

鄂東長江公路大橋的監(jiān)測指標(biāo)主要包括重要的環(huán)境參數(shù)（風(fēng)力/風(fēng)向、環(huán)境溫度）、關(guān)鍵部位的變形狀況（塔頂變位、主梁撓度等）、關(guān)鍵控制截面的應(yīng)變、關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)控（橋梁固有特性、橋塔撞擊監(jiān)控、振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)控）、索結(jié)構(gòu)的監(jiān)控（拉索索力）等。系統(tǒng)監(jiān)測布點(diǎn)見圖3。

大橋結(jié)構(gòu)安全綜合管理系統(tǒng)于2011年4月份所有監(jiān)測項(xiàng)調(diào)試完畢，正式存儲完整歷史數(shù)據(jù)并處理入庫。為了對結(jié)構(gòu)的使用性能和安全性有較深入的了解，現(xiàn)提取2011年5月份主梁變形、主梁應(yīng)力和斜拉索索力等監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，見表1。

表1　鄂東大橋SHMS安裝的傳感器類型以及數(shù)量（來自收到的資料）

2　主梁撓度監(jiān)測與分析

系統(tǒng)中安裝有主梁撓度傳感器60個(gè)，其中上游安裝38個(gè)，下游安裝22個(gè)，安裝位置為鋼箱梁側(cè)面腹板處，混凝土梁為靠近側(cè)面腹板的橫隔板處，圖4為所使用的撓度傳感器。

圖3　鄂東大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置圖

主梁撓度監(jiān)測中最重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)為主梁跨中撓度變化情況，在主梁合龍段處，由于管路交替需要，安裝有兩組撓度測點(diǎn)，根據(jù)位置情況分別定義為南和北，均位于合龍段梁內(nèi)。從圖5所示主跨跨中撓度曲線上可以看出，南北兩組傳感器測試結(jié)果變化趨勢基本一致，符合監(jiān)測預(yù)期（數(shù)據(jù)單位為mm，負(fù)值表示下?lián)希?；上游?shù)據(jù)和下游數(shù)據(jù)重合性較好，說明主梁沒有明顯的扭轉(zhuǎn)情況發(fā)生；通過與梁外溫度變化曲線進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者趨勢相反，說明主梁撓度主要受外界溫度變化因素影響，溫度升高，拉索伸長，主梁下?lián)稀?/p>

圖4　撓度傳感器（液壓傳感器）

圖6為刪除異常測點(diǎn)后的主梁撓度變化圖。由圖6可知，主梁南北方向變化趨勢基本對稱，且測點(diǎn)最大撓度變化也符合主梁整體變化規(guī)律（越靠近索塔，撓度變化越?。粡脑撛路輸?shù)據(jù)顯示，中跨合龍段主梁撓度最大為310 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)給出的撓度參照預(yù)警值。

3　斜拉索索力監(jiān)測與分析

對于大跨度斜拉橋來說，主梁幾何形態(tài)（通過主梁撓度監(jiān)測項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)測）和斜拉索索力是最為重要的兩個(gè)監(jiān)測內(nèi)容。在索力的監(jiān)測中，對總共240根斜拉索中的140根都安裝了索力傳感器，傳感器布置在索塔一側(cè)的錨固部位。南北索塔各安裝70個(gè)，靠近索塔的前5對斜拉索，全部安裝了索力傳感器，從第6對開始到第30對，索力傳感器分上下游交叉安裝。使用的傳感器為穿心式錨索計(jì)。圖7是根據(jù)所收到的索力監(jiān)測數(shù)據(jù)整理得到的斜拉索索力分布以及最大索力和最小索力的差值分布。

圖5　主梁跨中撓度及溫度變化情況

圖6　主梁撓度變化圖

如圖7所示，北塔主跨9號索、南塔主跨16號索、南塔邊跨9號索的斜拉索索力與設(shè)計(jì)索力相比產(chǎn)生了很大差異，應(yīng)該重新檢查初始索力的數(shù)據(jù)。整體監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，全橋斜拉索索力的變動(dòng)幅度均不大，且都在拉索索力的容許范圍之內(nèi)。

4　鋼箱梁應(yīng)力監(jiān)測與分析

鋼箱梁中共設(shè)置了40個(gè)鋼應(yīng)變傳感器，分5個(gè)斷面，每個(gè)斷面分別設(shè)置8個(gè)傳感器。5個(gè)斷面分別為南江側(cè)1號梁段、南江側(cè)15號梁段、合龍段梁、北江側(cè)15號梁段、北江側(cè)1號梁段。每個(gè)斷面測點(diǎn)布設(shè)方式一致，貼片位置為鋼箱梁頂板和底板上，圖8為鋼傳感器和傳感器布置示意圖。

由圖9可知，越是靠近索塔的位置，頂板的壓應(yīng)力越大。而底板的應(yīng)力中南北兩側(cè)的15號梁段（斷面2和斷面4）的壓應(yīng)力較大。在中間合攏段上（斷面3），僅在頂板上出現(xiàn)了拉應(yīng)力，說明該截面受到了上凸的彎矩作用。從該月份數(shù)據(jù)顯示，鋼箱梁最大應(yīng)力為103.8 MPa，遠(yuǎn)小于鋼箱梁的容許應(yīng)力值。

5　混凝土箱梁應(yīng)力監(jiān)測與分析

混凝土箱梁中共安裝有混凝土應(yīng)變傳感器72個(gè)，分為8個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置9個(gè)傳感器（其中測點(diǎn)8個(gè)，補(bǔ)償1個(gè)），8個(gè)斷面分別為南岸側(cè)H梁第1隔艙、南岸側(cè)H梁第6隔艙，南岸側(cè)K梁第6隔艙，南岸側(cè)K梁第1隔艙，北岸側(cè)K梁第1隔艙，北岸側(cè)K梁第6隔艙，北岸側(cè)H梁第6隔艙，北岸側(cè)H梁第1隔艙，按照需要命名為混凝土1-混凝土8，每個(gè)斷面布設(shè)方式一致，傳感器安裝示意見圖10，測點(diǎn)貼片位置為所示位置混凝土上，每個(gè)斷面測點(diǎn)編號從1到8，其中頂板為1到4為上游，底板為5到8。

圖7　斜拉索索力分布

圖8　鋼傳感器和傳感器布置示意圖

由圖11可知，頂板壓應(yīng)力要大于底板壓應(yīng)力，越靠近索塔的位置，頂板壓應(yīng)力越大。從該月份數(shù)據(jù)顯示，混凝土箱梁頂板最大壓應(yīng)力最大為14.2 MPa，最小壓應(yīng)力為2.77 MPa；底板最大壓應(yīng)力最大為11.1 MPa，最小壓應(yīng)力為1.86 MPa，均小于混凝土箱梁的容許應(yīng)力值。

6　結(jié)論及建議

通過對鄂東長江公路大橋橋正常運(yùn)營狀態(tài)下各關(guān)鍵部位變形觀測及數(shù)據(jù)分析，可知結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下處于彈性變形，主梁、主塔的剛度與強(qiáng)度性能良好，斜拉索受力合理，整個(gè)橋梁的施工精度較高，橋梁質(zhì)量較好。另外根據(jù)鄂東長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)近5 a運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有如下建議供同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測參考：

圖9　鋼箱梁的應(yīng)力分布

圖10　混凝土傳感器和傳感器布置示意圖

圖11　混凝土箱梁的應(yīng)力分布

（1）健康監(jiān)測元器件的布置方案、安裝時(shí)機(jī)等需提前規(guī)劃，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確標(biāo)定結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)；

（2）相關(guān)監(jiān)測設(shè)備故障率較高，要盡量做到不間斷的實(shí)時(shí)在線檢測，需不斷加強(qiáng)設(shè)備研發(fā)、采購、維護(hù)等系統(tǒng)工作。

［1］余波，邱洪興，王浩，等.楊浦大橋鋼箱梁疲勞應(yīng)力監(jiān)測及壽命分析［J］.公路交通科技，2009（8）:105-109.

［2］彭曉彬，陳杏枝.鄂東長江公路大橋橋塔設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2009（5）: 40-48.

U448.27

B

1009-7716（2016）01-0071-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.021

2015-09-15

彭曉彬（1976-），男，湖北武漢人，高級工程師，從事橋隧設(shè)計(jì)工作。