上海長江大橋主航道橋GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

查正軍

（上海巨一科技發(fā)展有限公司,上海市 200051）

上海長江大橋主航道橋GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

查正軍

（上海巨一科技發(fā)展有限公司,上海市 200051）

根據(jù)上海長江大橋主航道橋GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析塔頂位移和跨中位移的長期變化情況，以及在堵車突發(fā)事件下結(jié)構(gòu)的變形情況。結(jié)果表明，塔頂順橋向位移長期呈周期性變化，與溫度相關(guān)性明顯；突發(fā)事件中堵車對橋梁結(jié)構(gòu)位移影響明顯。

GPS監(jiān)測；結(jié)構(gòu)位移；周期性趨勢；相關(guān)性分析；堵車工況

0 引言

大橋的空間幾何形態(tài)的長期演變和短期變化反映了結(jié)構(gòu)的時變特性和安全性能，是大橋運(yùn)營養(yǎng)護(hù)部門需要掌控的重要指標(biāo)?；贕PS的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)是大跨徑橋梁性能與安全監(jiān)測的主要手段之一[1]。

GPS監(jiān)測系統(tǒng)即GPS RTK差分系統(tǒng)，由基準(zhǔn)站與監(jiān)測站組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實時傳遞到監(jiān)測站，監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標(biāo)。GPS RTK測量其豎向定位精度可以達(dá)20 mm，平面精度可以達(dá)10 mm，其采樣頻率一般為10 Hz以上[1]。

上海長江大橋主航道橋為主跨730 m的雙塔雙索面分離式鋼箱梁斜拉橋。與上海東海大橋、香港青馬大橋等近百座大跨徑橋梁一樣，均建立了含GPS系統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。本文基于長江大橋主航道橋的GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了結(jié)構(gòu)在長短不同周期荷載作用下的性能規(guī)律及結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點。

1 趨勢分析

1.1 長期趨勢分析

大橋在上下行的主跨跨中以及 PM61塔、PM62塔頂布置1個GPS監(jiān)測點，大橋的管控中心設(shè)置1個基準(zhǔn)站，GPS設(shè)備為Trimble 5 700接收機(jī)，測點布置如圖1所示。

圖1 上海長江大橋主航道橋GPS監(jiān)測布點圖

取2010～2015年度監(jiān)測數(shù)據(jù)（10 min均值），對塔頂順橋向位移和主跨跨中豎向位移進(jìn)行長期趨勢分析。圖2、圖3分別是PM61塔、PM62塔順橋向位移趨勢圖，由圖可看出：

圖2 PM61塔頂順橋向位移6年變化圖（單位:mm）

圖3 PM62塔頂順橋向位移6年變化圖(單位:mm)

（1）塔頂順橋向位移都有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，夏季偏向邊跨，冬季偏向主跨，這與理論分析結(jié)果一致：夏季溫度高偏向邊跨，冬季溫度低偏向主跨；推測大橋受長周期的溫度荷載影響較為顯著。

（2）兩個塔頂順橋向位移變化幅度是一致的，塔頂順橋向位移變化范圍為±150 mm左右（限值為±628 mm），在限值范圍內(nèi)。

圖4、圖5分別是上行、下行主跨跨中豎向位移趨勢圖，由圖可看出：

圖4 主跨跨中上行側(cè)豎向位移6年變化圖（單位:mm)

圖5 主跨跨中下行側(cè)豎向位移6年變化圖(單位:mm)

（1）季節(jié)溫度變化對主跨跨中豎向位移無明顯影響。其中,2013年長江大橋上行側(cè)3號車道因鋪裝損壞進(jìn)行了鋪裝更新，鋪裝鏟除造成跨中豎向位移上撓，鋪裝完成后，位移恢復(fù)到鋪裝更新前水平。

（2）主跨跨中豎向位移變化范圍為-75～170 mm左右（限值為-1 024～217 mm），都在限值范圍內(nèi)。

1.2 與溫度相關(guān)性分析

為驗證趨勢分析的推測，大橋位移受長周期溫度影響顯著，結(jié)合6年的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行位移與溫度的相關(guān)性分析。

2010～2015 年長江大橋主航道橋的橋面大氣溫度的變化范圍為-8.0℃～+40.3℃。采用結(jié)構(gòu)有限元模型對極端溫度變化對大橋結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行理論分析（初始化溫度為20℃）。表1為極端溫度條件下主航道橋的實測變形、理論變形以及限值統(tǒng)計情況。圖6為大橋極端溫度變形示意圖，圖7、圖8為2015年P(guān)M61塔、PM62塔塔頂順橋向位移與溫度相關(guān)性圖，表2為歷年大橋塔頂順橋向位移和梁端位移隨溫度變化的監(jiān)測斜率和理論斜率。分析表明：

（1）在極端低溫條件下，PM61塔、PM62塔塔頂順橋向位移為分別為126 mm（偏向主跨）、-102 mm（偏向主跨），而理論值分別是191mm和-191 mm；

（2）在極端低溫條件下，PM61塔、PM62塔塔頂順橋向位移為分別為-128 mm（偏向邊跨）、114 mm（偏向主跨，理論值），而理論值分別是-144 mm和144 mm；

（3）塔頂順橋向位移與溫度的相關(guān)性指標(biāo)變化穩(wěn)定，且與有限元分析理論計算結(jié)果吻合良好。

表1 極端溫度下塔頂順橋向位移變形表 mm

圖6 極端溫度變形示意圖

圖7 PM61塔頂順橋向位移與溫度相關(guān)性圖（2015年）

圖8 PM62塔頂順橋向位移與溫度相關(guān)性圖（2015年）

表2 塔頂順橋向位移與溫度的理論和監(jiān)測斜率對比表 mm/℃

2 堵車時間分析

為分析短周期荷載作用下大橋關(guān)鍵位移的響應(yīng)特征，選擇典型的偏載工況——單向堵車事件進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2016年4月4 日13時起，G40高速迎來返程高峰，崇明往上海市區(qū)方向長江隧橋持續(xù)擁堵，擁堵18 h，綿延42 km，擁堵一直持續(xù)到4月5日早晨。

分析GPS系統(tǒng)在該次堵車前后（時間點4月4號0:00到4月6號0:00）的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，圖9、圖10為堵車期間主跨跨中豎向位移圖和塔頂?shù)捻槝蛳蛭灰茍D。

圖9 堵車時間段跨中豎向位移（單位:mm）

圖10 堵車時間段塔頂順橋向位移（單位:mm）

分析結(jié)論如下：

（1）4月4日下午開始，主梁跨中撓度下?lián)祥_始增大，到4月5日5:30分左右達(dá)到最大，下行側(cè)的豎向位移明顯大于上行側(cè)。

（2）主塔順橋向位移主要受氣溫變化的影響，但也在4月5日5:30分左右出現(xiàn)明顯變化。

（3）消除溫度效應(yīng)：根據(jù)堵車中最大位移時刻對應(yīng)的溫度，統(tǒng)計堵車前、堵車后同時間點相近溫度下位移數(shù)據(jù)，用堵車中最大位移減去同溫度下堵車前后GPS位移均值（消除溫度效應(yīng)），計算出堵車時實測最大位移值，并與理論值進(jìn)行對比。表3為堵車工況下最大位移計算表。從表中可以看出：PM61、PM62順橋向最大位移分別為58 mm、-44 mm，分別接近理論值59 mm、-59 mm；主跨跨中豎向位移，下行側(cè)（堵車側(cè)）為-250 mm，接近理論值-290 mm，上行側(cè)為-133 mm，小于理論值-204 mm（這里的理論值詳見表3注釋）。

表3 堵車時間段最大位移計算表 mm

（4）堵車結(jié)束后，結(jié)構(gòu)形態(tài)又恢復(fù)到堵車前水平，說明大橋處于彈性工作狀態(tài)，堵車未對大橋結(jié)構(gòu)造成不良影響，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 結(jié) 語

根據(jù)2010年至2015年6年的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）長期趨勢看,塔頂順橋向位移呈周期性變化，主要受溫度影響，與溫度相關(guān)性明顯,而跨中豎向位移沒有周期性變化，與溫度相關(guān)性不明顯。

（2）堵車事件（偏載工況）中，下行側(cè)跨中（堵車側(cè)）實測豎向位移大于上行側(cè)跨中（非堵車側(cè)）實測豎向位移。堵車結(jié)束后，結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到堵車前狀態(tài)，表明大橋處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)是安全的。

（3）對于大跨度橋梁的關(guān)鍵部位（主塔塔頂、主跨跨中）的GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，長期性能變遷可關(guān)注位移與溫度的相關(guān)性指標(biāo)，短期極端事件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可結(jié)合有限元分析判斷結(jié)構(gòu)的安全狀況。

[1]姚連璧，姚平，王人鵬，等.南浦大橋形變GPS動態(tài)監(jiān)測試驗及結(jié)果分析 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2008,36（12）：1633-1636,1664.

[2]喬燕，孫傳智，繆長青.基于GPS的大跨懸索橋動態(tài)特性監(jiān)測及分析[J].測繪通報,2012(3):1-4.

[3]吳杰，喬燕，苗恒亞，等.基于GPS的大跨橋梁動態(tài)監(jiān)測試驗及分析 [J].工程勘察，2016（8）43-47.

[4]黃聲享，吳文壇，李沛鴻． 大跨度斜拉橋GPS動態(tài)監(jiān)測試驗及結(jié)果分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2005，30(11): 999-1002.

U446

B

1009-7716（2017）03-0177-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.048

2017-02-08

查正軍（1981-），男，安徽安慶人，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作。