桃夭門大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器布點設(shè)計

暢衛(wèi)杰　劉舟峰　郭書峰　徐文城

(1.浙江舟山跨海大橋有限公司，浙江 舟山　316000；　2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京　100088)

1　概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是對土木工程結(jié)構(gòu)、特別是大型和超大型結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造、維護(hù)和運(yùn)營安全具有重要的意義，為揭示結(jié)構(gòu)真實服役環(huán)境、荷載、響應(yīng)和性能演化規(guī)律提供了現(xiàn)場試驗手段[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在大型橋梁工程中已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[2]，也正在逐漸體現(xiàn)出與人工檢查不同的獨(dú)特優(yōu)勢和價值。

橋梁環(huán)境和橋梁荷載是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全變異的外在因素；橋梁結(jié)構(gòu)自身的性能退化是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全變異的內(nèi)在因素。橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息和橋梁損傷(病害)信息是外因通過內(nèi)因發(fā)生作用的直接結(jié)果，判別橋梁安全狀態(tài)改變的信息都包含在這兩類信息中，但它們是局部的、離散的或者隱含的；通過橋梁安全狀態(tài)的評估才能從損傷和響應(yīng)信息中抽取橋梁評估信息，才能綜合判斷結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的變異與否。具體到桃夭門大橋，其結(jié)構(gòu)安全特征信息如圖1所示。

2　監(jiān)測點一般性設(shè)計

2.1　結(jié)構(gòu)特點

桃夭門大橋為舟山大陸連島工程的第三座跨海大橋，大橋全長888 m，橋面寬27.6 m，雙向四車道，橋跨布置為(48+48+50+580+50+48+48)m，主橋為580 m的雙塔雙索面半漂浮體系混合式斜拉橋，主梁采用鋼結(jié)構(gòu)加勁梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，下部為鉆石型索塔，索塔高151 m。引橋上部結(jié)構(gòu)采用混凝土箱梁，橋墩為T型空心墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，橋臺為重力式U型擴(kuò)基橋臺?？傮w橋型布置圖如圖2所示。

2.2　測試內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的JT/T 1037—2016公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[3]，對于特大型斜拉橋結(jié)構(gòu)一般需要考慮的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括如表1所示的內(nèi)容。

表1　桃夭門大橋監(jiān)測內(nèi)容

類別主要參數(shù)荷載與環(huán)境結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)車輛荷載風(fēng)速、風(fēng)向溫度濕度振動變形應(yīng)變索力疲勞斷面交通流、車型、車軸重、軸數(shù)、車輛總重、車速橋面塔頂箱梁內(nèi)外環(huán)境溫度混凝土溫度鋼結(jié)構(gòu)溫度箱梁內(nèi)濕度環(huán)境濕度索塔錨固區(qū)濕度主梁豎向振動加速度主梁橫向振動加速度塔頂水平雙向振動加速度主梁撓度主梁橫向變形塔頂偏位主梁關(guān)鍵截面應(yīng)變斜拉索斜拉索主梁伸縮縫

而具體的測點位置則還應(yīng)結(jié)合桃夭門大橋的具體特點、風(fēng)險特征和理論計算結(jié)果確定。由于風(fēng)荷載、溫濕度等監(jiān)測內(nèi)容測點位置的選擇比較簡單，因此下面重點介紹斜拉索索力、整體動力特性、混凝土裂縫、鋼箱梁應(yīng)力及鋼混凝土結(jié)合面錯位的測點設(shè)計。

2.3　索力測點設(shè)計

建立桃夭門大橋的有限元模型，計算其在恒載作用下的各索索力(見圖3)。

在不同荷載工況下，斜拉索索力計算結(jié)果見圖4。

通過以上計算結(jié)果可以得出，長索索力較大，且各索索力受力較為均勻。因此，在設(shè)計時選取不同規(guī)格斜拉索中較長的索進(jìn)行重點監(jiān)測。索力加速度計布設(shè)位置及數(shù)量見表2。

表2　索力加速度計布設(shè)位置及數(shù)量

2.4　動力特性測點設(shè)計

對桃夭門大橋進(jìn)行理論模態(tài)分析，得到其計算動力特性結(jié)果見圖5，表3。

表3　桃夭門大橋計算動力特征

振型序號周期/s頻率/Hz振型描述13.3780.296正對稱豎彎23.0860.324正對稱側(cè)彎32.3580.424反對稱豎彎41.6610.602正對稱豎彎51.2970.771反對稱豎彎

通過對桃夭門大橋前五階模態(tài)進(jìn)行分析，可見桃夭門大橋低階模態(tài)以豎向模態(tài)為主，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)振動特性的監(jiān)測應(yīng)主要布置豎向加速度傳感器(見表4)。

表4　動力特性測點的布設(shè)位置設(shè)計結(jié)果

2.5　混凝土箱梁裂縫、鋼箱梁應(yīng)力與鋼混凝土交接面錯位監(jiān)測

在恒載作用下，主梁應(yīng)力結(jié)果見圖6。

其中1號、10號、19號為墩頂節(jié)點，28號節(jié)點為塔梁交接處節(jié)點，77號為主跨跨中節(jié)點。

在不同荷載組合作用下，主梁應(yīng)力結(jié)果見圖7。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，主梁上翼緣最大應(yīng)力和下翼緣最大應(yīng)力發(fā)生在跨中及墩頂位置。結(jié)合現(xiàn)場勘查的病害結(jié)果，設(shè)計時對主跨跨中進(jìn)行鋼箱梁疲勞監(jiān)測。由于鋼混結(jié)合段受力較為復(fù)雜，對該斷面布設(shè)應(yīng)變計進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，同時在鋼混結(jié)合段兩側(cè)布設(shè)加速度計，通過兩側(cè)的振動是否一致來判斷其結(jié)合狀況(見表5)。

表5　混凝土箱梁裂縫、鋼箱梁應(yīng)力及結(jié)合面錯位監(jiān)測測點設(shè)計結(jié)果

2.6　測點設(shè)計結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、風(fēng)險分析及計算分析，并結(jié)合現(xiàn)場踏勘，最終確定的監(jiān)測點設(shè)計結(jié)果如圖8所示。

3　結(jié)語

桃夭門大橋作為跨海特大橋結(jié)構(gòu)，運(yùn)營中面臨的風(fēng)險大，不確定因素多，因此安裝橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對于掌握橋梁運(yùn)營狀況，進(jìn)行臺風(fēng)等災(zāi)后的應(yīng)急處置具有重要意義。同時，本項目中的鋼混凝土結(jié)合面錯位設(shè)計為類似工程中首次采用，可以為后續(xù)類似工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ou J.Some Recent Advances of Intelligent Health Monitoring Systems for Civil Infrastructures in Mainland China[A].proceedings of the Proceeding of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure[C].Tokyo,Japan,2003.

[2]H Wenzel,Health Monitoring of Bridges[M].John Wiley & Sons,Ltd,2009.

[3]JT/T 1037—2016,公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].