大跨徑波形鋼腹板部分斜拉橋健康監(jiān)測(cè)位點(diǎn)和預(yù)警閾值研究

袁衛(wèi)鎖， 張穎達(dá)，2，3

（1.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450001； 2.河南省公路全預(yù)制裝配式橋梁工程技術(shù)研究中心，鄭州 450001； 3.河南經(jīng)緯高科技術(shù)有限公司，鄭州 450001）

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁是由法國(guó)學(xué)者于20世紀(jì)80年代提出的一種新型結(jié)構(gòu)組合橋梁［1］. 使用波形鋼腹板取代傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板，不僅可以減輕箱梁自重、改善腹板的抗屈曲性能、提高結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力效率，還可以解決傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁腹板容易開(kāi)裂的問(wèn)題［2］. 與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土橋相比，波形鋼腹板混凝土橋的抗震性與耐久性都明顯提升，橋梁結(jié)構(gòu)壽命也明顯增長(zhǎng)，具有廣泛的推廣價(jià)值和廣闊的運(yùn)用前景［3］. 部分斜拉橋又叫矮塔斜拉橋，其核心設(shè)計(jì)思想是使主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力通過(guò)索塔內(nèi)索鞍轉(zhuǎn)向形成大偏心體外預(yù)應(yīng)力，其與波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁的組合可以使兩種結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)［4-5］. 波形鋼腹板部分斜拉橋雖然集合了混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、斜拉體系、體外預(yù)應(yīng)力體系等結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但也保留了這些結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn). 由于波形鋼腹板部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度高，因此該類(lèi)橋梁十分容易產(chǎn)生各類(lèi)病害. 故對(duì)波形鋼腹板部分斜拉橋進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)十分必要.

目前，中國(guó)已有不少橋梁都安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如蘇通大橋［6-7］、虎門(mén)二橋［8］、港珠澳大橋［9-10］等. 傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)方式以人工檢查、定期采集數(shù)據(jù)為主，存在檢查不全面、數(shù)據(jù)不客觀、信息不及時(shí)等問(wèn)題［11］.新型的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指采用新型的傳感、通信等技術(shù)，在橋梁關(guān)鍵截面和構(gòu)件上布置安裝傳感器等測(cè)試元件，以達(dá)到監(jiān)測(cè)橋梁所處環(huán)境及各種激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等信息的目的. 通過(guò)新型的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，從而可防范化解其運(yùn)營(yíng)期間的重大安全隱患，進(jìn)一步提升其安全保障能力. 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)橋梁病害狀況，對(duì)潛在的橋梁安全隱患發(fā)出預(yù)警，對(duì)橋梁安全事故做出預(yù)測(cè)提示，同時(shí)利用橋梁各構(gòu)件的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別及可靠性評(píng)估，為橋梁的日常運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)提供重要的參考依據(jù)［12］. 當(dāng)前已有許多關(guān)于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究報(bào)道. 薛彤等［13］將BIM模型和傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三維模型可視化. 趙大成等［14］以蕪湖長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，基于相關(guān)性模型及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)主梁撓度預(yù)警閾值的設(shè)定進(jìn)行了研究. 袁長(zhǎng)征等［15］針對(duì)重慶嘉華大橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，確定了橋梁健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及點(diǎn)位布設(shè)方案，設(shè)計(jì)并建立了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 胡鐵明等［16］以某在役橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，通過(guò)對(duì)豎向位移－溫度的相關(guān)性分析得出了在橋梁正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由車(chē)輛載荷引起的豎向位移變化.

通過(guò)總結(jié)前人的研究發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于波形鋼腹板部分斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少. 朝陽(yáng)溝特大橋是一座跨越朝陽(yáng)溝水庫(kù)的大跨徑波形鋼腹板部分斜拉橋，迄今對(duì)該橋的健康監(jiān)測(cè)主要以定期人工檢查的方式為主，為更好地提升該橋的管養(yǎng)水平，擬為該橋安裝設(shè)置新型的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 本研究以朝陽(yáng)溝特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)歷年健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力特性，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)其健康監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的布設(shè)及預(yù)警閾值的設(shè)定進(jìn)行了分析，不僅可為該橋安裝設(shè)置新型的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)，還可為同類(lèi)橋梁的健康監(jiān)測(cè)提供參考.

1 工程概況

S317永孟線朝陽(yáng)溝特大橋位于鄭州至登封快速通道改建工程朝陽(yáng)溝水庫(kù)北側(cè)，橋位區(qū)位于水庫(kù)庫(kù)區(qū)北側(cè)水域較窄地帶，橫跨朝陽(yáng)溝水庫(kù). 橋梁跨徑組成為58 m+118 m+188 m+108 m=472 m，全長(zhǎng)484.8 m，主橋上部采用波形鋼腹板PC部分斜拉橋（圖1），結(jié)構(gòu)體系采用連續(xù)-剛構(gòu)形式，箱梁斷面采用單箱四室斜腹板斷面（圖2），橋梁全寬35 m，平面位于半徑3900 m的圓曲線內(nèi). 該橋于2015年建成通車(chē)，為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)跨度最大的波形鋼腹板部分斜拉橋.

圖1 朝陽(yáng)溝特大橋的總體布置圖（單位：cm）Fig.1 Overall layout of Chaoyanggou Bridge（unit：cm）

圖2 朝陽(yáng)溝特大橋的箱梁斷面示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of box girder section of Chaoyanggou Bridge（unit：cm）

2 有限元模型的建立

2.1 Midas/Civil全橋桿系有限元模型的建立

采用Midas/Civil軟件建立全橋桿系有限元模型，如圖3所示，其中主梁、橋墩采用空間梁?jiǎn)卧M，拉索采用桁架單元模擬. 考慮的質(zhì)量包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、隔板、鋼橫撐、齒塊. 邊界條件均采用墩底固結(jié)，不考慮樁土耦合作用，墩與梁采用剛性連接模擬. 全橋共被劃分為482個(gè)單元，其中主梁?jiǎn)卧?34個(gè)，主塔單元96個(gè)，墩身單元48個(gè)，拉索單元104個(gè). 全橋共布置6個(gè)車(chē)道荷載及2個(gè)人行道荷載.

圖3 全橋桿系有限元模型Fig.3 Finite element model of full bridge linkage system

該模型主要有以下兩個(gè)作用：

1）對(duì)全橋力學(xué)狀況進(jìn)行規(guī)律性模擬分析，并依據(jù)應(yīng)力、變形等數(shù)據(jù)的變化規(guī)律選取監(jiān)測(cè)位點(diǎn).

2）對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的影響線進(jìn)行分析，然后分別在每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的最不利位置與最有利位置布置移動(dòng)荷載，將該荷載工況輸入到精細(xì)多尺度有限元模型中即可獲得每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)在極限狀態(tài)下的極值，最后依據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)在極限狀態(tài)的力學(xué)性能來(lái)判斷該橋當(dāng)前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上確定每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的預(yù)警閾值.

2.2 ANSYS實(shí)體有限元模型的建立

利用ANSYS軟件建立全橋?qū)嶓w有限元模型，如圖4所示. 混凝土頂板、底板、橫隔板、主塔、主墩采用六面體單元模擬，單元最小尺寸21.5 cm；斜拉索采用桁架（桿）單元模擬；體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋采用植入式鋼筋模擬；體外預(yù)應(yīng)力筋采用桁架單元模擬，體外預(yù)應(yīng)力筋與轉(zhuǎn)向塊耦合豎向、橫向自由度，釋放沿橋梁縱向的自由度；波形鋼腹板采用板單元模擬，鋼腹板與混凝土頂板、底板分別進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)連接以約束兩者的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；采用彈性連接單元模擬盆式橡膠支座的豎向支撐、活動(dòng)方向和固定方向的剛度，在承臺(tái)處固定塔底，不考慮樁土耦合作用. 全橋共被劃分為571 142個(gè)單元，其中桿單元7224個(gè)，板單元22 320個(gè)，實(shí)體單元463 714個(gè)，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元77 884個(gè).

圖4 全橋?qū)嶓w有限元模型Fig.4 Solid finite element model of full bridge

與全橋桿系有限元模型相比，全橋?qū)嶓w有限元模型具有更高的計(jì)算精度，主要用于精確加載計(jì)算，依據(jù)Midas/Civil全橋桿系有限元模型計(jì)算出的最不利位置在ANSYS全橋?qū)嶓w有限元模型上布置車(chē)輛荷載，即可對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)進(jìn)行精確分析，并以此得出對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的預(yù)警閾值.

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的選取

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選取

橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般包括環(huán)境（風(fēng)、溫度、濕度、水位、地基沉降等）、作用（車(chē)、人、力等）、結(jié)構(gòu)響應(yīng)（傾斜、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)沉降、疲勞、開(kāi)裂等）、結(jié)構(gòu)缺陷（銹蝕等）等內(nèi)容，具體依橋型及橋位環(huán)境不同，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)略有不同［17］. 當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多以結(jié)構(gòu)受力安全為主，預(yù)警項(xiàng)目也均為結(jié)構(gòu)受力安全方面的預(yù)警，但在橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中觸發(fā)結(jié)構(gòu)受力安全預(yù)警的頻率較低. 相較于結(jié)構(gòu)受力安全，橋面行車(chē)安全反而需要更為頻繁地進(jìn)行預(yù)警. 因此，橋梁的健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)包含橋面行車(chē)安全和結(jié)構(gòu)受力安全兩方面的內(nèi)容.

結(jié)合朝陽(yáng)溝特大橋的實(shí)際情況，以監(jiān)測(cè)橋面行車(chē)安全和結(jié)構(gòu)受力安全為目標(biāo)，在滿足安全預(yù)警和評(píng)估要求的前提下，確定了朝陽(yáng)溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，其中外部環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括車(chē)輛荷載、橋面風(fēng)速、橋面溫度、橋面交通流等，結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括應(yīng)力、位移等. 通過(guò)外部環(huán)境監(jiān)測(cè)可以及時(shí)掌握橋梁的外部環(huán)境及橋面行車(chē)狀況，從而可判斷當(dāng)前結(jié)構(gòu)外部荷載是否超限及行車(chē)是否安全. 通過(guò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，以便及時(shí)掌握橋梁在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全性能.

3.2 監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的選取

對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，首先要選取合適的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)，監(jiān)測(cè)位點(diǎn)一般應(yīng)根據(jù)全橋在正常使用極限狀態(tài)下的力學(xué)特征（最大值與最小值）進(jìn)行選取. 因此，本研究首先采用Midas/Civil 有限元軟件對(duì)全橋在正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力、位移等力學(xué)特征進(jìn)行整體分析，然后依據(jù)分析結(jié)果選取該橋的健康監(jiān)測(cè)位點(diǎn).

由圖5（a）可知，朝陽(yáng)溝特大橋主梁頂?shù)装逭龖?yīng)力在主跨跨中處、主跨1/4跨徑處、邊跨跨中處均出現(xiàn)了較為明顯的正應(yīng)力極值，說(shuō)明這些位置處的截面對(duì)橋梁應(yīng)力較為敏感，在這些位置布設(shè)主梁頂?shù)装鍛?yīng)力監(jiān)測(cè)位點(diǎn)能夠更清晰地反映主梁內(nèi)力的變化規(guī)律.

由圖5（b）可知，波形鋼腹板剪應(yīng)力在外索錨固面及鋼混結(jié)合段處有較大的極值，在這些位置布置波形鋼腹板剪應(yīng)力監(jiān)測(cè)位點(diǎn)可以更加清晰地掌握全橋波形鋼腹板的剪應(yīng)力狀況.

索應(yīng)力監(jiān)測(cè)的主要目的是監(jiān)測(cè)錨固是否失效. 由圖5（c）可知，斜拉索應(yīng)力變化規(guī)律與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較為符合，斜拉索應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸降低，呈線性變化，變化比較均勻. 在控制傳感器成本的基礎(chǔ)上，為更全面地反映全橋斜拉索的整體受力情況，建議選取外索面的外索（1號(hào)索）、中索（7號(hào)索）、內(nèi)索（13號(hào)索）以及內(nèi)索面的錯(cuò)號(hào)索（2、8、12號(hào)索）作為斜拉索應(yīng)力監(jiān)測(cè)位點(diǎn)并進(jìn)行交錯(cuò)監(jiān)測(cè).

由圖5（d）可知，全橋結(jié)構(gòu)位移的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較為符合，在僅考慮移動(dòng)荷載的情況下，主跨位移極值出現(xiàn)在主跨跨中處，兩邊跨的位移極值出現(xiàn)在外索錨固處. 因此，為實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)舒適性及安全性，需在各跨位移極值處布設(shè)全橋結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)位點(diǎn).

圖5 朝陽(yáng)溝特大橋在正常使用極限狀態(tài)下的力學(xué)特征Fig.5 Mechanical characteristics of Chaoyanggou Bridge under the limit state of normal service

4 預(yù)警閾值的設(shè)置

橋梁的預(yù)警參數(shù)主要包括主梁跨中撓度、主梁應(yīng)力、橋面風(fēng)速、車(chē)輛荷載、橋面溫度等. 其中，橋面風(fēng)速、橋面溫度、車(chē)輛荷載為外部環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)超出預(yù)警閾值說(shuō)明行車(chē)安全存在隱患；應(yīng)力、位移等為結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，這些參數(shù)超出預(yù)警閾值說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)存在安全問(wèn)題. 結(jié)合朝陽(yáng)溝特大橋的實(shí)際情況，根據(jù)預(yù)警閾值設(shè)置要求，本研究將朝陽(yáng)溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警閾值設(shè)置為兩個(gè)級(jí)別.Ⅰ級(jí)預(yù)警閾值為警戒值，當(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的參數(shù)超出Ⅰ級(jí)預(yù)警閾值時(shí)，表明應(yīng)密切關(guān)注當(dāng)前橋梁情況，并對(duì)橋梁進(jìn)行全面檢查；Ⅱ級(jí)預(yù)警閾值為危險(xiǎn)值，當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出此類(lèi)預(yù)警提醒時(shí)，表明當(dāng)前橋梁狀況較為危險(xiǎn)，易產(chǎn)生安全事故，需立即采取措施，并對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行檢查，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)異常部位采取必要措施，以避免對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成不可逆的損壞. 目前預(yù)警閾值的確定方法主要有兩種：無(wú)模型方法和有模型方法［18］.

4.1 基于無(wú)模型方法設(shè)置外部環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值

無(wú)模型方法是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，參照規(guī)范、歷史記錄、交通流量等參數(shù)來(lái)確定預(yù)警閾值的一種方法，通常需根據(jù)不同情況設(shè)定不同的預(yù)警閾值，并采取相應(yīng)的處理措施.

外部環(huán)境監(jiān)測(cè)一般是針對(duì)橋面行車(chē)安全進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)外部環(huán)境影響過(guò)大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅時(shí)，會(huì)由應(yīng)力、位移等結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行報(bào)警. 對(duì)于不同的橋梁，外部環(huán)境監(jiān)測(cè)的預(yù)警閾值通常是固定的，故可參考相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定及相關(guān)研究對(duì)外部環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定.

根據(jù)《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 333：2012）可知，長(zhǎng)期通行超出設(shè)計(jì)荷載的重載車(chē)輛將對(duì)橋梁產(chǎn)生不可逆的損傷，因此將車(chē)輛總重或軸重與設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載之比等于1.5設(shè)置為車(chē)輛荷載的Ⅰ級(jí)預(yù)警閾值，將車(chē)輛總重或軸重與設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載之比等于2設(shè)置為車(chē)輛荷載的Ⅱ級(jí)預(yù)警閾值.

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)橋面風(fēng)速大于20.8 m·s-1（九級(jí)風(fēng)）時(shí)，中輕型客車(chē)及空載貨車(chē)存在側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)橋面風(fēng)速大于25 m·s-1（十級(jí)風(fēng)）時(shí)，所有類(lèi)型車(chē)輛均有側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn). 因此，絕大多數(shù)橋梁管理部門(mén)將25 m·s-1的橋面風(fēng)速作為橋梁封閉交通的依據(jù). 本研究將橋面風(fēng)速的I級(jí)預(yù)警閾值設(shè)置為20.8 m·s-1，Ⅱ級(jí)預(yù)警閾值設(shè)置為25 m·s-1.

由文獻(xiàn)［19］的研究結(jié)果可知，輪胎與橋面的摩擦系數(shù)隨橋面溫度的下降而明顯減小，當(dāng)橋面溫度在-5～0 ℃之間時(shí)，輪胎與橋面的摩擦系數(shù)會(huì)有顯著突變；當(dāng)橋面溫度低于-5 ℃時(shí)，輪胎與橋面的摩擦系數(shù)會(huì)大幅度減小，故將-5 ℃設(shè)定為橋面溫度的Ⅱ級(jí)預(yù)警閾值. 依據(jù)文獻(xiàn)［20］的研究結(jié)果可知，-3 ℃條件下的冰水混合物會(huì)對(duì)輪胎附著力產(chǎn)生影響，故將-3 ℃設(shè)定為橋面溫度的Ⅰ級(jí)預(yù)警閾值.

綜上，可得出朝陽(yáng)溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需設(shè)置的外部環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值，如表2所示. 為了防范化解朝陽(yáng)溝特大橋在運(yùn)營(yíng)期間的重大安全隱患，可依據(jù)表2中的結(jié)果對(duì)該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外部環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)定預(yù)警閾值. 在其運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出Ⅰ級(jí)預(yù)警信號(hào)時(shí)，需在橋上適當(dāng)位置設(shè)置提示牌對(duì)過(guò)往車(chē)輛進(jìn)行提醒；當(dāng)該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出Ⅱ級(jí)預(yù)警信號(hào)時(shí)，不僅要在橋上適當(dāng)位置設(shè)置提示牌，還需通知管理部門(mén)盡快采取相應(yīng)措施.

表2 朝陽(yáng)溝特大橋外部環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值Tab.2 Early warning thresholds of external environment monitoring of Chaoyanggou Bridge

4.2 基于有模型方法設(shè)置結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值

首先利用ANSYS軟件建立朝陽(yáng)溝特大橋的全橋?qū)嶓w有限元模型（圖4），然后根據(jù)3.2小節(jié)中的分析結(jié)果在該橋的相應(yīng)位置布設(shè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)，之后根據(jù)每個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的影響線數(shù)據(jù)計(jì)算其最不利位置荷載，最后用不同預(yù)警級(jí)別的結(jié)構(gòu)響應(yīng)安全系數(shù)乘以每個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)在最不利位置荷載下的響應(yīng)值（應(yīng)力、位移等），即可得到各個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的多級(jí)預(yù)警閾值.

4.2.1 影響線計(jì)算

根據(jù)Midas/Civil 全橋桿系有限元模型所布置的車(chē)道計(jì)算各個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的影響線，進(jìn)而可得出各個(gè)車(chē)道不同位置的加載對(duì)該結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的影響系數(shù). 圖6為朝陽(yáng)溝特大橋各車(chē)道對(duì)最外側(cè)斜拉索應(yīng)力的影響線圖，可以看出各個(gè)車(chē)道對(duì)該橋最外側(cè)斜拉索應(yīng)力的影響系數(shù)在0.017～0.029之間.

圖6 朝陽(yáng)溝特大橋各個(gè)車(chē)道對(duì)最外側(cè)斜拉索應(yīng)力的影響線圖Fig.6 Influence line diagram of each lane on the outermost stay cable stress of Chaoyanggou Bridge

4.2.2 最不利位置布載

根據(jù)影響線計(jì)算結(jié)果，通過(guò)Midas/Civil 全橋桿系有限元模型計(jì)算每個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的最不利位置加載方式，并根據(jù)最不利位置加載方式進(jìn)行布載. 對(duì)于索應(yīng)力、主梁應(yīng)力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目而言，測(cè)量值過(guò)高或者過(guò)低均需進(jìn)行報(bào)警，故對(duì)此類(lèi)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)需額外進(jìn)行最有利位置的布載計(jì)算. 布載完成后，將該布載工況輸入到ANSYS全橋?qū)嶓w有限元模型中，即可得到各個(gè)最不利（有利）位置的最不利（有利）值.

4.2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的計(jì)算

完成最不利（有利）位置布載后，可參考公式（1）及公式（2）對(duì)各布載工況下各個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的預(yù)警閾值進(jìn)行計(jì)算.

式中：Fimax和Fimin分別表示該結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的第i級(jí)最大預(yù)警值與最小預(yù)警值；ηi表示該結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的第i級(jí)預(yù)警級(jí)別的結(jié)構(gòu)響應(yīng)安全系數(shù)，本研究中參考相關(guān)文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗(yàn)，將第Ⅰ級(jí)預(yù)警級(jí)別的結(jié)構(gòu)響應(yīng)安全系數(shù)設(shè)定為1.2，將第Ⅱ級(jí)預(yù)警級(jí)別的結(jié)構(gòu)響應(yīng)安全系數(shù)設(shè)定為1.4；fimax和fimin分別表示該結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的整體升降溫、梯度升降溫、風(fēng)速、地震等多種可組合荷載的最大值與最小值，由于存在預(yù)警級(jí)別的結(jié)構(gòu)響應(yīng)安全系數(shù)ηi，因此影響較小的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可不考慮，可根據(jù)實(shí)際工程情況合理選取組合項(xiàng).

4.2.4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算方法對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的預(yù)警閾值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3～表5所示. 在對(duì)朝陽(yáng)溝特大橋進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)時(shí)，若該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警信號(hào)，則認(rèn)為可能是外部環(huán)境荷載超限所引起的，此時(shí)需參考外部環(huán)境監(jiān)測(cè)要求對(duì)相應(yīng)位點(diǎn)進(jìn)行校正；若該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警信號(hào)，則應(yīng)立即向相關(guān)人員報(bào)告并通知管理部門(mén)及時(shí)采取相應(yīng)措施.

表3 朝陽(yáng)溝特大橋斜拉索應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值Tab.3 Early warning thresholds of stress monitoring for stay cable of Chaoyanggou Bridge單位：MPa

表4 朝陽(yáng)溝特大橋主梁位移監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值Tab.4 Early warning thresholds of displacement monitoring for main grider of Chaoyanggou Bridge單位：mm

表5 朝陽(yáng)溝特大橋主梁正應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值Tab.5 Early warning thresholds of normal stress monitoring for main girder of Chaoyanggou Bridge單位：MPa

5 結(jié)論

以朝陽(yáng)溝特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas/Civil和ANSYS 軟件分別建立了全橋桿系有限元模型和全橋?qū)嶓w有限元模型，并對(duì)全橋的力學(xué)特性、最不利位置荷載進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)朝陽(yáng)溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)位點(diǎn)以及預(yù)警閾值進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

1）通過(guò)Midas/Civil 全橋桿系有限元模擬分析得出了該橋在正常使用極限狀態(tài)下的力學(xué)特征位置，然后依據(jù)分析結(jié)果確定了該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需設(shè)置的監(jiān)測(cè)位點(diǎn). 另外，通過(guò)全橋桿系有限元模型的車(chē)道布載獲得了各監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的最不利位置荷載，為結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的計(jì)算奠定了基礎(chǔ).2）結(jié)合朝陽(yáng)溝特大橋的實(shí)際情況，提出了用于計(jì)算其結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的計(jì)算公式，該公式可將外部環(huán)境荷載的影響也考慮進(jìn)去，因此通過(guò)該公式計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值能較為準(zhǔn)確地反映該橋的橋面行車(chē)安全及結(jié)構(gòu)受力安全，為智慧交通的建設(shè)提供了全新思路.