南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

邢丹丹，歐陽(yáng)歆泓，張宇峰，彭家意

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211112；3. 長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；4. 江蘇省公路橋梁工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211112；5.江蘇省長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京 211112）

南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

邢丹丹1，2，3，4，5，歐陽(yáng)歆泓1，2，3，4，5，張宇峰1，2，3，4，5，彭家意1，2，3，4，5

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211112；3. 長(zhǎng)大橋梁健康檢測(cè)與診斷技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；4. 江蘇省公路橋梁工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211112；5.江蘇省長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，江蘇 南京 211112）

根據(jù)南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋（夾江大橋）的結(jié)構(gòu)形式及橋址處的環(huán)境特點(diǎn)，建立夾江大橋結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，按照先進(jìn)、合理、適用等原則，對(duì)該橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹與分析,為科學(xué)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康與安全狀態(tài)評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

健康監(jiān)測(cè)；懸索橋；測(cè)點(diǎn)布設(shè)；安全評(píng)估

1 工程概況

南京長(zhǎng)江隧道工程位于南京長(zhǎng)江大橋與三橋之間，由江南濱江快速路與應(yīng)天大街互通立交過(guò)渡段接入點(diǎn)起，至江北收費(fèi)廣場(chǎng)連接快速路500 m處止，全長(zhǎng)5 853 m。整個(gè)工程采用“左汊盾構(gòu)隧道+右汊橋梁”方案，右汊橋梁即為夾江大橋，是南京長(zhǎng)江隧道工程重要的組成部分。

夾江大橋全長(zhǎng)665.5 m，主跨248 m，為獨(dú)塔自錨懸索橋，主塔高107 m。大橋雙向6車(chē)道，主橋兩側(cè)設(shè)有人行道，供行人步行過(guò)江。主橋?yàn)楠?dú)柱塔自錨式懸索橋，孔跨布置為（35+77+60+248+35） m。主橋邊跨跨度為137 m，在邊跨設(shè)置一個(gè)輔助墩，將邊跨跨度劃分為（77+60） m；主跨跨度為248 m，邊跨與主跨跨度比為0.55。主塔在橋面以上塔高（從主塔中心線(xiàn)處線(xiàn)路設(shè)計(jì)高程計(jì)算至主纜在主塔上的理論頂點(diǎn)）為80 m，橋塔高跨比為0.32。

夾江大橋設(shè)計(jì)車(chē)速為80 km/h，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按100年基準(zhǔn)期超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)設(shè)防，設(shè)計(jì)風(fēng)速為南京地區(qū)100年重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速（開(kāi)闊平坦地面10 m高度處10 min平均風(fēng)速）為27.1 m/s［1-2］。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)解讀［3］

南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋（夾江大橋）氣勢(shì)宏偉、結(jié)構(gòu)新穎，從橋梁設(shè)計(jì)及受力分析角度來(lái)看，具有以下特點(diǎn)：

（1）從橋梁形式來(lái)看，夾江大橋是一座獨(dú)柱塔自錨式懸索橋，是一種富有創(chuàng)新性的橋梁結(jié)構(gòu)，在一定程度上，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與景觀(guān)的和諧統(tǒng)一。目前世界最大跨徑的獨(dú)柱塔自錨式懸索橋是美國(guó)舊金山-奧克蘭海灣大橋，主跨跨徑為565 m。

（2）從結(jié)構(gòu)體系來(lái)看，夾江大橋的結(jié)構(gòu)體系為，主梁縱向受彈性索約束，豎向受限位擋塊約束，橫向受抗風(fēng)支座約束，扭轉(zhuǎn)受上下游豎向拉壓支座聯(lián)合約束。

（3）從結(jié)構(gòu)組成來(lái)看，夾江大橋主梁分為兩幅設(shè)置，凈距為8.2 m，兩幅主梁之間以多道橫梁連為一體，形成縱橫梁體系。主跨主梁采用鋼箱梁，邊跨及錨跨主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。主塔在主梁下方設(shè)置一道橫梁，對(duì)主梁提供豎向支承。在主塔橫梁端部設(shè)置有一對(duì)斜拉索，該斜拉索穿過(guò)主梁錨固在主塔上。主纜在橫橋向分為兩股，在邊跨位于豎直平面內(nèi)，錨固于橫梁中部；在主跨為空間索形，錨固于橫梁兩端。吊索在邊跨位于豎直平面內(nèi)，錨固于橫梁中部；在主跨為空間布置，錨固于橫梁兩端。如圖1所示。

圖1 鋼箱梁和混凝土箱梁混合結(jié)構(gòu)（單位：cm）

由于采用了獨(dú)柱塔自錨式這一新穎的結(jié)構(gòu)形式，夾江大橋受力較為復(fù)雜，其塔底彎矩在施工和運(yùn)營(yíng)階段均較大，索塔的工作狀態(tài)則是其正常使用的關(guān)鍵，鋼混組合段的受力亦必須重點(diǎn)關(guān)注。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［4］

為確保夾江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立具備有效性和針對(duì)性，首先進(jìn)行理論分析及有限元整體計(jì)算，掌握橋梁結(jié)構(gòu)的主要控制構(gòu)件、控制節(jié)點(diǎn)和控制參數(shù)。夾江大橋有限元計(jì)算模型如圖2所示。

將傳感器布置在結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處、應(yīng)力變化最大處、位移最大處、幾何變形最大處、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析必須控制的點(diǎn)及環(huán)境荷載主要監(jiān)控點(diǎn)等地方，適當(dāng)考慮測(cè)點(diǎn)冗余。同時(shí)還需考慮對(duì)橋梁使用功能產(chǎn)生重要影響的參數(shù)，以及監(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)。夾江大橋有限元分析計(jì)算結(jié)果如圖3所示。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析和有限元計(jì)算結(jié)果，最終設(shè)計(jì)完成的南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋（夾江大橋）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(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)等3個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析處理監(jiān)測(cè)信息，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況和行車(chē)安全性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并對(duì)運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的故障及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

圖2 夾江大橋有限元計(jì)算模型

圖3 夾江大橋成橋階段彎矩圖

對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器的選擇和測(cè)點(diǎn)位置的確定是最基礎(chǔ)也是最重要的工作。對(duì)于大跨橋梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量（如應(yīng)變、撓度、索力、震動(dòng)頻率等）除與結(jié)構(gòu)本身特性及其所受的荷載有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件（如風(fēng)速、環(huán)境溫度、濕度、邊界條件等）密切相關(guān)，因此除了關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)外，環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)也是不可忽略的。

對(duì)于環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)，大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用風(fēng)速儀、空氣溫濕度計(jì)、非接觸式溫度計(jì)、振弦式溫度傳感器等分別對(duì)主橋風(fēng)速、空氣溫濕度、路面溫度、結(jié)構(gòu)溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中以風(fēng)速儀的布置為例，隨著大跨橋梁主跨跨徑的增加，風(fēng)荷載對(duì)大跨橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響也越來(lái)越重要。大跨橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果的精度很大程度上取決于分析所采用的風(fēng)場(chǎng)特性，然而，在橋梁設(shè)計(jì)階段橋址風(fēng)場(chǎng)特性往往是根據(jù)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范得到的，而不是從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的。同時(shí)由于南京地處東南沿海帶，常年受到（強(qiáng)）臺(tái)風(fēng)的影響（以2015年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”為例），因此有必要對(duì)橋梁的實(shí)際風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

對(duì)于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)，大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用壓力變送器、傾角儀、加速度傳感器、應(yīng)變傳感器、直線(xiàn)位移傳感器等分別對(duì)整體位移、索塔變位、主梁振動(dòng)和吊索索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、梁段位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中以用于監(jiān)測(cè)主梁動(dòng)力特性的加速度傳感器為例，橋梁的振動(dòng)頻率是橋梁的固有特性，不會(huì)隨著外界荷載的變化而變化，因此完好橋梁的振動(dòng)頻率是相對(duì)穩(wěn)定的，當(dāng)橋梁出現(xiàn)較大損傷或結(jié)構(gòu)改變時(shí)，橋梁的振動(dòng)頻率也會(huì)隨之改變，因此橋梁頻率蘊(yùn)含著橋梁的整體結(jié)構(gòu)信息與安全信息，因此有必要對(duì)橋梁的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析。通過(guò)加速度傳感器可以采集到橋梁的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，可以對(duì)橋梁各構(gòu)件的振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，從中得出橋梁各構(gòu)件的振動(dòng)頻率，從而了解橋梁的整體特性。

傳感子系統(tǒng)主要采用了6類(lèi)傳感器，監(jiān)測(cè)了11項(xiàng)指標(biāo)，其測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)如表1所示。

圖4 夾江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)總體布置圖（單位：cm）

表1 夾江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)

從數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)來(lái)看，夾江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋位處采用了1個(gè)外站，以FDDI雙環(huán)光纖網(wǎng)與控制機(jī)房服務(wù)器相聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 部分系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的分析，不但能夠推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，而且為橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)和管理打下牢固的理論和方法基礎(chǔ)。目前南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已運(yùn)營(yíng)一年多，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定。下文以部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

2015-07-11T16∶40前后，“燦鴻”臺(tái)風(fēng)（2015-09）在浙江舟山市朱家尖鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)（45 m/s），登陸后向北偏東方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱，臺(tái)風(fēng)“燦鴻”路徑實(shí)時(shí)圖示如圖6所示。雖然臺(tái)風(fēng)和江蘇擦肩而過(guò)，但是“燦鴻”外圍的螺旋雨帶也給江蘇東南部送來(lái)了明顯的風(fēng)雨。

7月份全月南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋橋址處實(shí)時(shí)風(fēng)速時(shí)域圖如圖7所示，從圖中可以看出在2015-07-11～12，大橋附近風(fēng)力很強(qiáng)。7月11日全天實(shí)時(shí)風(fēng)速變化如圖8所示。該天全天風(fēng)速均較大，尤其14∶00～18∶00期間風(fēng)速很大，這與臺(tái)風(fēng)登陸浙江的時(shí)間相一致。同時(shí)在此期間最大實(shí)測(cè)風(fēng)速為25.36 m/s，2 min平均風(fēng)速最大值為19.83 m/s，相當(dāng)于8級(jí)風(fēng)力等級(jí)。

圖5 夾江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖6 臺(tái)風(fēng)“燦鴻”路徑實(shí)時(shí)圖示

此外，為了評(píng)估“燦鴻”臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的大風(fēng)速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性是否有影響，引用陣風(fēng)系數(shù)。陣風(fēng)系數(shù)定義為1 h內(nèi)某時(shí)間長(zhǎng)度（如3 s）內(nèi)的平均風(fēng)速的最大值與每小時(shí)平均風(fēng)速的比值，即：

式中：（t）為t時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速， 一般取1～3 s。隨著時(shí)間的增加，陣風(fēng)系數(shù)越來(lái)越小。在一定期間內(nèi)，越大的陣風(fēng)系數(shù)表示越高的脈動(dòng)風(fēng)速。陣風(fēng)系數(shù)表示脈動(dòng)風(fēng)速的大小，因此，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，較大的陣風(fēng)系數(shù)代表的脈動(dòng)風(fēng)速也不會(huì)超過(guò)橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)速，而當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，較大的陣風(fēng)系數(shù)代表的脈動(dòng)風(fēng)速將更大，有可能超過(guò)橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受到損害。南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋7月份期間陣風(fēng)系數(shù)與60 min平均風(fēng)速關(guān)系如圖9所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，7月11日風(fēng)速最大期間主塔塔頂?shù)年囷L(fēng)系數(shù)僅約為1.8。因此“燦鴻”臺(tái)風(fēng)期間的脈動(dòng)風(fēng)速對(duì)南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響很小。

圖7 夾江大橋北塔塔頂7月風(fēng)速

圖8 夾江大橋主塔塔頂實(shí)時(shí)風(fēng)速變化圖

圖9 大橋主塔塔頂陣風(fēng)系數(shù)與60 min平均風(fēng)速關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋（夾江大橋）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用現(xiàn)代化的傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)及計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)對(duì)大橋所處工作環(huán)境和各種使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集大橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和信號(hào)，獲取反映橋梁健康狀況的特征信息，為大橋養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)大橋的安全可靠性作出評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了后期結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別和安全評(píng)估的需求，硬件設(shè)備的選取充分考慮了技術(shù)先進(jìn)性、耐久性、穩(wěn)定性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面因素，保證了系統(tǒng)能夠采集到準(zhǔn)確反映大橋結(jié)構(gòu)工況的參數(shù)信息和數(shù)據(jù)。

南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋（夾江大橋）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，起到了科學(xué)指導(dǎo)工程決策，實(shí)施有效的保養(yǎng)、維修與加固的作用，較大地提高了大橋的整體管理技術(shù)水平，可節(jié)約后期維護(hù)經(jīng)費(fèi)，對(duì)保證夾江大橋的正常運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。

［1］江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司.南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)招標(biāo)-JC3標(biāo)段投標(biāo)文件［R］. 2014．

［2］江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司.南京長(zhǎng)江隧道右汊懸索橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)招標(biāo)-JC3標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)［R］. 2014．

［3］肖建平.夾江大橋施工工藝研究［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［4］孫斌，董平，蒲曉軒，等.南京夾江大橋主塔基樁承載性狀分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增 1）：2986-2993.

Structural Health Monitoring System for Right Branch Suspension Bridge of Nanjing Yangtze River Tunnel

（Xin Dandan1,2,3,4,5, Ouyang Xinhong1,2,3,4,5, Zhang Yufeng1,2,3,4,5, Peng Jiayi1,2,3,4,5
（1. JSTI Group, Nanjing 210017, China; 2. The State Key Laboratory on Safety and Health of In-service Long-span Bridges, Nanjing 211112, China; 3. Key Laboratory of Long-span Bridge Health Inspection and Diagonsis Technology, Nanjing 211112, China; 4. Jiangsu Highway Bridge Engineering Technology Research Center, Nanjing 211112, China; 5. Jiangsu Long-span Bridge Health Monitoring Data Center, Nanjing 211112, China））

The SHMS (structural health monitoring system) is established in right branch suspension bridge of Nanjing Yangtze River Tunnel. The layout scheme of the sensors is optimized based on the bridge structure and its circumstance. This paper constructes finite element model of the bridge for optimizing the layout scheme of the sensors. Some data from SHMS is presented and analyzed. These works are significant to estimate the health and safety of the bridge scientifically.

health monitoring; cable-stayed bridge; sensor layout scheme; safety assessment

U446.2

A

1672-9889（2016）06-0043-05

2015-12-17）

邢丹丹（1985-），女，江蘇南通人，工程師，主要從事橋梁健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)以及相關(guān)科研工作。