樂清灣2號橋安全監(jiān)測系統(tǒng)設備布點設計

史森梟 要世乾

(1.浙江樂清灣高速公路有限公司，浙江 臺州 317600； 2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088)

1 概述

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)作為智慧橋梁數(shù)據(jù)處理、存儲和管理的重要載體，實時監(jiān)測跨海大橋的運營自然環(huán)境、運載車輛以及結(jié)構(gòu)靜、動力響應關(guān)鍵參數(shù)[1]，為基礎設施、運載工具、交通綜合管理提供專業(yè)化、信息化、數(shù)字化的技術(shù)保障。同時有助于構(gòu)建“車、路(橋)協(xié)同”關(guān)系，服務應急管理，確保安全交通，提升公路運營養(yǎng)護工作的數(shù)據(jù)化、信息化的科學技術(shù)水平。在大型及特大型橋梁工程中，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到了比較廣泛的應用[2-4]，也正在逐漸體現(xiàn)出與人工檢查不同的獨特優(yōu)勢和價值。

橋梁環(huán)境和橋梁荷載是導致結(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致結(jié)構(gòu)安全變異的內(nèi)在因素[5]。橋梁結(jié)構(gòu)響應信息和橋梁損傷(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[6]。具體到樂清灣2號橋，其結(jié)構(gòu)安全特征信息如圖1所示。

2 監(jiān)測點一般性設計

2.1 結(jié)構(gòu)特點

樂清灣大橋及接線工程是甬臺溫高速公路復線的重要組成部分，樂清灣2號橋主橋為雙塔整幅疊合梁斜拉橋，橋跨布置為(70+90+365+90+70) m=685 m，邊中跨比0.438，上部結(jié)構(gòu)為雙塔整幅疊合梁斜拉橋，索塔采用鉆石型塔身，基礎為鉆孔灌注樁；輔助墩與過渡墩基礎均為鉆孔灌注樁。其橋型布置圖如圖2所示。

2.2 測試內(nèi)容設計

根據(jù)交通運輸部發(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[7]，對于特大型斜拉橋結(jié)構(gòu)一般需要考慮的監(jiān)測內(nèi)容應包括表1所示的內(nèi)容。

測點位置應結(jié)合樂清灣2號橋的具體特點、風險特征和理論計算結(jié)果確定。由于風荷載、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、結(jié)構(gòu)整體剛度、混凝土橋面板裂縫的測點設計。

表1 樂清灣2號橋監(jiān)測內(nèi)容

2.3 有限元模型

全橋總體靜力分析采用RM Bridge V8i空間桿系程序，以理論豎曲線為基準進行結(jié)構(gòu)離散，計算模型考慮斜拉索垂度、P-Δ效應及空間大位移效應等非線性因素。圖3為樂清灣2號橋分析模型。

在過渡墩及輔助墩處對主梁進行豎向與橫向約束，順橋向不設置約束。在索塔處，對主梁進行豎向與橫向約束，順橋向設置限位阻尼器。索塔、過渡墩及輔助墩底部均按照固結(jié)模擬。

2.4 索力測點設計

作為斜拉橋核心受力構(gòu)件，斜拉索長期處在較高應力狀態(tài)，且所處沿海環(huán)境惡劣，其內(nèi)部鋼絲容易受到銹蝕。此外斜拉索在車輛、風、雨荷載作用下將產(chǎn)生振動，經(jīng)常性的大幅振動會加速斜拉索保護層和平行鋼絲的疲勞損傷。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全與交通運行的順暢，應加強斜拉索的監(jiān)測。通過模型的計算分析，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，確定重點關(guān)注斜拉索，布置索力計。

分析斜拉索在橋梁結(jié)構(gòu)自重及二期恒荷作用下的索力，計算結(jié)果如圖4所示。

由分析結(jié)果可知，在恒載作用下，斜拉索M16的索力最大，為5 479 kN，S16索力與之接近，為5 475 kN。隨索長的減小，索力逐漸減小。斜拉索S2索力最小，為2 096 kN，M2次之，為2 263 kN，最短索S1及M1的索力相較次短索S2及M2的索力有較大幅度增加。對最長索與最短索進行重點關(guān)注。

分析在運營狀態(tài)標準荷載作用下，斜拉索最大索力及最小索力，如圖5所示。根據(jù)斜拉索型號及強度，計算最大索力下斜拉索的安全系數(shù)，計算結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)計算結(jié)果可知，在標準荷載作用下，斜拉索S16的索力最大，為6 445 kN，M16索力與之接近，為6 402 kN。隨索長減小，索力最大值與最小值逐漸減小。最短索S1索力最大值較S2增加29.3%，最小值增加51.5%。最短索M1索力最大值較M2增加27.1%，最小值增加37.4%。在最大索力下，所有斜拉索的安全系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求。

分析斜拉索在汽車荷載下的應力幅，車輛荷載考慮按八車道加載，橫向折減系數(shù)程序自動考慮，縱向折減系數(shù)為0.974 2，沖擊系數(shù)取0.05。計算得到斜拉索應力幅值，結(jié)果如圖7所示。

由活載下斜拉索應力幅值結(jié)果可知，中間斜拉索S9～S2及M2～M7應力幅值較大，外側(cè)斜拉索及最短斜拉索應力幅值偏小。選擇應力幅值較大且具有代表性的斜拉索進行監(jiān)測。

根據(jù)以上計算結(jié)果，選擇最長索、最短索及具有代表性的斜拉索作為監(jiān)測重點，同時考慮斜拉索規(guī)格，綜合確定索力加速度計的布設位置，索力加速度計的布設如表2所示。

表2 索力加速度計布設位置及數(shù)量

2.5 橋梁空間變位測點設計

分析樂清灣2號橋主梁剛度，在汽車荷載作用下，主梁的變形曲線如圖8所示。

由分析結(jié)果可知，在車輛荷載下，主跨跨中部位下?lián)献畲?，最大下?lián)?59.7 mm，在邊跨與次邊跨，最大下?lián)贤瑯映霈F(xiàn)在跨中，下?lián)狭糠謩e為32.2 mm與35.1 mm。最大上撓出現(xiàn)在邊跨跨中，最大值為30.12 mm。

采用壓力變送器對主梁變形進行監(jiān)測。在過渡墩處安裝壓力變送器作為基準點，在邊跨、次邊跨及主跨跨中布設壓力變送器，監(jiān)測主梁在運營過程中的下?lián)?。同時在主跨跨中對稱安裝壓力變送器，測量主梁左右兩幅不均勻下?lián)?。壓力變送器布設位置及數(shù)量見表3。

表3 壓力變送器的布設位置及數(shù)量

2.6 混凝土箱梁應力

樂清灣2號橋主梁采用分離式雙邊箱流線形扁平鋼箱疊合梁，混凝土橋面板在車輛荷載下可能會出現(xiàn)開裂，采用振弦式應變計對橋面板的裂縫情況進行監(jiān)測，一方面可以對結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)進行識別，作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析的參考信息，另外一方面可作為運營期間橋面板安全性預警的重要信息。

在短期荷載作用下，橋面板的上下緣正應力包絡圖如圖9所示。計算表明，混凝土橋面板上緣最小壓應力為-0.7 MPa，下緣最小壓應力為-0.29 MPa。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，短期荷載作用下橋面板應力滿足規(guī)范要求。但在施工過程中由于吊裝精度及養(yǎng)護不足等問題，導致橋面板出現(xiàn)裂紋。選擇應力較大部位進行監(jiān)測，同時根據(jù)裂縫實際出現(xiàn)位置，確定裂縫監(jiān)測點位置，見表4。

表4 橋面板裂縫監(jiān)測測點設計結(jié)果

2.7 測點設計結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、風險分析及計算分析結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場踏勘，最終確定的監(jiān)測點設計結(jié)果如圖10所示。

3 結(jié)語

樂清灣2號橋作為跨海特大橋結(jié)構(gòu)，運營中面臨的風險大，不確定因素多，因此安裝橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)對于掌握橋梁結(jié)構(gòu)響應與運營狀況，進行臺風等災后的應急處理具有重要意義。同時，對鋼混疊合梁的橋面板裂紋進行監(jiān)測，可以為后續(xù)類似工程提供借鑒。