三汊磯大橋運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)方案

1、三汊磯大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)實(shí)施方案 目 錄1 工程概況21.1 橋梁概況21.2 目前存在問(wèn)題31.3 系統(tǒng)定位42 三汊磯大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步方案52.1 系統(tǒng)功能52.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目52.3系統(tǒng)技術(shù)方案62.3.3.2預(yù)警指標(biāo)體系的建立13- 15 -三汊磯大橋健康監(jiān)測(cè)初步方案1 工程概況1.1 橋梁概況長(zhǎng)沙市三汊磯湘江大橋主橋設(shè)計(jì)為自錨式懸索橋，全長(zhǎng)732米，分跨為70+132+328+132+70米。主塔為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，由塔柱和上下兩道橫梁組成，塔柱采用C50變截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。全橋共設(shè)2根主纜，主纜由37束預(yù)制索股構(gòu)成單纜，預(yù)制索股由127絲5.1

2、mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成；主纜中心距25m，矢跨比中跨1/5，邊跨1/10.6；主纜兩端采用冷鑄墩頭錨錨固于鋼箱梁，主纜與鋼箱梁連接采用焊接鋼板錨箱。本橋采用雙吊索，普通吊索236根，采用PWS平行鋼絲索股，普通吊索規(guī)格為5.1×85。靠近主纜錨固區(qū)短吊桿采用剛性吊桿，共8根。吊索與主纜連接方式為上下銷接式，吊索采用PWS平行鋼絲索股，外套PE防護(hù)層。對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)20m的吊索設(shè)置減振架，以減少吊索的風(fēng)致振動(dòng)。自錨式懸索橋加勁梁采用鋼箱梁，箱梁全寬35米，橋梁中心線處梁高3.6米。橋面設(shè)有雙向2.0%的橫坡，1.5%的縱坡。 橋面全寬35m1m（風(fēng)嘴）3.0m（人行道含欄桿寬）2.0m（吊桿

3、錨固區(qū)）23m（雙向6車道）+2.0m（吊桿錨固區(qū)）3.0m（人行道含欄桿寬）1m（風(fēng)嘴）。圖1.1 三汊磯大橋主橋橋型布置圖圖1.2 三汊磯大橋主橋鋼加勁梁截面示意圖主橋線路設(shè)計(jì)為城市級(jí)主干道，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h。行車道上鋪7.5cm厚的環(huán)氧瀝青路面層，人行道上鋪設(shè)3.5cm厚的瀝青混凝土。設(shè)計(jì)荷載：汽車超20級(jí)，掛車120。人群荷載：4KN/，按規(guī)范進(jìn)行折減。溫度荷載：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度20，體系升溫20，降溫20?；撅L(fēng)速：一百年重現(xiàn)期10米高度處10min年平均最大風(fēng)速25.9m/s?？拐鹪O(shè)計(jì)：按地震基本烈度7度設(shè)防。三汊磯大橋主橋于2006年9月1號(hào)正式通車。圖1-1湘江三汊磯自錨

4、式懸索橋雄姿1.2 目前存在問(wèn)題在橋梁通車至今，養(yǎng)護(hù)檢查中對(duì)對(duì)三汊磯大橋橋下、橋上、主塔根部、懸索系統(tǒng)、支座、減振器及橋面系等進(jìn)行實(shí)地檢查，該橋存在如下病害和缺陷：懸索系統(tǒng)中吊桿下錨頭有銹水滲出；東西兩主塔根部砼局部開裂；東西兩主塔支座處、大橋縱向減振設(shè)施錨固板螺栓銹蝕、其中東塔下游側(cè)減振設(shè)施錨固板螺栓損壞3個(gè)；西塔下主梁橫向限位塊脫落；東岸頂推梁27#墩（頂推梁最東的橋墩）蓋梁開裂明顯；主梁下檢修滑車銹蝕；主塔檢修通道支架鐵件銹蝕；東引橋蓋梁上泥沙堆積，共有5處；東引橋落水管破損，初步統(tǒng)計(jì)有10套；東橋臺(tái)處梁體頂擠橋臺(tái)背墻，致橋臺(tái)局部頂壞；伸縮縫膠帶破損嚴(yán)重：主車道共12條伸縮縫，有8條膠帶

5、破損，有3條縫內(nèi)泥砂淤積需沖洗；鋼箱梁4臺(tái)除濕機(jī)有兩臺(tái)故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)，另兩臺(tái)可運(yùn)轉(zhuǎn)但抽風(fēng)機(jī)皮帶斷裂無(wú)法除濕。1.3 系統(tǒng)定位本次擬建立的三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心思路為：緊密結(jié)合養(yǎng)護(hù)，以安全評(píng)價(jià)為核心，初步實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)對(duì)橋梁安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)分級(jí)和紅線預(yù)警：根據(jù)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況分級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的紅線預(yù)警分析，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警與人工檢查相結(jié)合對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐和保障。2 三汊磯大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步方案2.1 系統(tǒng)功能建立“三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，其核心思路為：緊密結(jié)合養(yǎng)護(hù)，以安全評(píng)價(jià)為核心，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)對(duì)橋梁安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)

6、估，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)分級(jí)和紅線預(yù)警：根據(jù)人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況分級(jí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的紅線預(yù)警分析， 三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)期功能包括：（1）報(bào)告大橋工作環(huán)境變化；（2）報(bào)告大橋主要構(gòu)件的應(yīng)力、變形等響應(yīng)情況狀況；（3）報(bào)告大橋主纜纜索受力狀況；（4）報(bào)告大橋主要構(gòu)件是否有較大損傷或累積破壞；（5）實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)下（包括荷載、工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)）的預(yù)警；2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：1、環(huán)境監(jiān)測(cè)：結(jié)構(gòu)溫度荷載是結(jié)構(gòu)的荷載源之一，也是三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)中維護(hù)管理的一個(gè)重要依據(jù)，此外風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)也是對(duì)大跨徑橋梁產(chǎn)生影響的因素之一，環(huán)境

7、檢測(cè)主要對(duì)溫度（鋼箱梁內(nèi)外及大氣溫度）、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)；2、應(yīng)力監(jiān)測(cè)：應(yīng)力是構(gòu)件安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，對(duì)于自錨式懸索橋，鋼箱梁壓應(yīng)力最最重要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，本次應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測(cè)主要對(duì)鋼箱梁以及主塔關(guān)鍵截面應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 3、撓度監(jiān)測(cè)：對(duì)三汊磯大橋的幾何線形及其變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究橋梁線形變化與環(huán)境變化(如溫度、車輛)的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及分析提供數(shù)據(jù)，本工程中安排了該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；4、塔偏監(jiān)測(cè)：大橋索塔的傾角及位移對(duì)主塔結(jié)果安全有重要影響，本系統(tǒng)擬對(duì)主塔塔偏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。5、纜索索力監(jiān)測(cè)：本系統(tǒng)擬采用預(yù)設(shè)壓力傳感器法（據(jù)悉監(jiān)控單位在錨固段預(yù)設(shè)了錨索計(jì)）對(duì)纜索索力進(jìn)行監(jiān)控。（備注：若施工監(jiān)控預(yù)設(shè)元件已損壞

8、，或不具備測(cè)試條件，則此項(xiàng)略去）2.3系統(tǒng)技術(shù)方案三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要將包括下列三個(gè)子系統(tǒng)，運(yùn)作流程如下圖所示。² 傳感器子系統(tǒng)(SS)² 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)(DATS)² 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)(DPCS)這三個(gè)子系統(tǒng)將運(yùn)行于三個(gè)層次：第一層次是數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器子系統(tǒng)拾取的信號(hào)；第二層次是將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)INTERNET輸送到數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；第三層次是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)；并根據(jù)系統(tǒng)的指令為其提供特定格式和內(nèi)容的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果。圖3-1 三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2

9、.3.1 傳感器子系統(tǒng)2.3.1.1 結(jié)構(gòu)環(huán)境監(jiān)測(cè)溫濕度監(jiān)測(cè)目的：大橋結(jié)構(gòu)溫度變化是大跨度橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測(cè)重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)能了解橋址處環(huán)境溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化，以及大橋主要構(gòu)件的溫度及溫度梯度情況，為分析結(jié)構(gòu)的受力和變形提供依據(jù)，并用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)分析。技術(shù)要求：連續(xù)監(jiān)測(cè)溫濕度，每10分鐘采樣一次，即采樣頻率0.00167Hz。溫度、空氣溫度濕度監(jiān)測(cè)應(yīng)能滿足各類溫度測(cè)量的要求，具有良好的測(cè)量精度和耐久性。測(cè)點(diǎn)布置：計(jì)劃在鋼箱梁內(nèi)外側(cè)共布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)目的：風(fēng)荷載是大跨度橋梁的荷載源之一，采用風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解橋址處環(huán)境風(fēng)力、

10、風(fēng)向變化情況，為分析橋梁的工作環(huán)境、評(píng)價(jià)行車安全狀況、驗(yàn)證橋梁風(fēng)振理論，以及研究極限風(fēng)環(huán)境下的大橋工作狀況提供了依據(jù)。技術(shù)要求：滿足橋址處極限風(fēng)速測(cè)量、采用風(fēng)速風(fēng)向儀連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)的直接采樣頻率1Hz。測(cè)點(diǎn)布置：計(jì)劃在主橋橋面中跨跨中位置布置1臺(tái)。2.3.1.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)目的：了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震荷載作用下大橋各重要構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。技術(shù)要求：采用振弦式表貼應(yīng)變傳感器，分辨率達(dá)到1me，量程滿足±1500me，。測(cè)點(diǎn)布置：根據(jù)三汊磯大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在三汊磯大橋的主梁跨中截面以及邊支座錨固區(qū)域設(shè)置溫度和應(yīng)力布

11、置截面，主梁11個(gè)截面，索塔4個(gè)截面。圖3-2 主橋鋼加勁梁應(yīng)變測(cè)試截面布置位置示意圖 圖3-3 主橋鋼加勁梁應(yīng)變測(cè)試截面布片圖（以B截面為例）圖3-4 主塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面布片圖2.3.1.3 撓度監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)目的：定期監(jiān)測(cè)大橋的幾何線形及其變化，記錄各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移量，對(duì)每年大橋橫向、縱向及豎向撓度變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪出趨勢(shì)變化曲線。為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及養(yǎng)護(hù)工作與結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供資料。同時(shí)對(duì)主梁撓度設(shè)定較明確的分級(jí)警戒線，以便在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)給出判定和處理。技術(shù)要求：滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量要求，具有良好的測(cè)量精度和較高的數(shù)據(jù)更新頻率，分辨率達(dá)到0.1%，量程達(dá)到2000mm。測(cè)點(diǎn)布置：對(duì)三汊磯大橋

12、撓度監(jiān)測(cè)使用連通管光電液位傳感器進(jìn)行人工定期監(jiān)測(cè)，擬在橋梁兩邊跨跨中，主跨（L/4、L/2、3L/4）部位上下游側(cè)各布置一個(gè)；2.3.1.4 纜索索力監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)目的：纜索是懸索橋主要承重構(gòu)件之一，纜索索力對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)安全起到重要作用，本橋主纜各索股計(jì)算成橋內(nèi)力約為900KN, 考慮采用預(yù)設(shè)壓力傳感器法進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試。技術(shù)要求：具有良好的測(cè)量精度和低頻測(cè)量性能，滿足各種環(huán)境和量程的要求。采樣頻率為50Hz，精度達(dá)到0.1%，量程達(dá)到2000KN。測(cè)點(diǎn)布置：對(duì)上、下游主纜的1號(hào)基準(zhǔn)索股在東岸錨跨設(shè)置120噸的錨索計(jì)測(cè)量其索力。（備注：若施工監(jiān)控預(yù)設(shè)元件已損壞，或不具備測(cè)試條件，則此項(xiàng)略去）2.3.1.

13、5 塔偏監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)目的：檢測(cè)大橋索塔的傾角及位移尤為重要，系統(tǒng)采用傾角儀記錄各測(cè)點(diǎn)測(cè)值，對(duì)每年索塔變位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪出趨勢(shì)變化曲線。技術(shù)要求：采取傾角儀連續(xù)檢測(cè)索塔變位狀態(tài)，滿足各測(cè)點(diǎn)的量程要求及環(huán)境要求，具有良好的測(cè)量精度，量程達(dá)到±30o，靈敏度達(dá)到0.005%，精度達(dá)到9采樣頻率為1Hz。測(cè)點(diǎn)布置：計(jì)劃在兩主塔上緣及塔梁結(jié)合處各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。2.3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等。對(duì)三汊磯大橋橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的選型原則是：1) 數(shù)據(jù)采集單元采用國(guó)際上先進(jìn)的成熟產(chǎn)品，確保系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、

14、耐久性和高精度；2) 選用市場(chǎng)上通用性好，易于采購(gòu)的產(chǎn)品，確保系統(tǒng)的可維護(hù)性和可更換性；3) 選用性能價(jià)格比高的產(chǎn)品，確保系統(tǒng)在最低成本下，實(shí)現(xiàn)最良好的運(yùn)作。2.3.2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的技術(shù)要求為了保證數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠及耐久性，其技術(shù)要求：1) 系統(tǒng)應(yīng)該既能在無(wú)人職守條件下連續(xù)采樣；2) 系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)采集操作必須在同一時(shí)標(biāo)下工作，時(shí)間基準(zhǔn)差異小于1微秒；3) 系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)自診斷功能；系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將故障信息上傳至數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器，并以足夠醒目或引起操作人員注意的方式顯示、報(bào)警；4) 當(dāng)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部分暫時(shí)斷電時(shí)，系統(tǒng)的各個(gè)部分應(yīng)無(wú)需人為干涉即可自動(dòng)重新啟動(dòng)、同步校

15、時(shí)和繼續(xù)正確運(yùn)行，并保留斷點(diǎn)信息。局部停止工作，其他設(shè)備應(yīng)保持其不受影響部分正常工作；2.3.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元（工作站）和INTERNET，以及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件組成。1) 數(shù)據(jù)采集單元：考慮到傳感器信號(hào)的傳輸距離不能太遠(yuǎn)，本系統(tǒng)在大橋箱梁梁內(nèi)設(shè)立1個(gè)數(shù)據(jù)采集單元(DAU, data acquisition unit)； 2) 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：將和中國(guó)電信或中國(guó)移動(dòng)聯(lián)系，建立INTERNET網(wǎng)絡(luò)。2.3.3 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)2.3.3.1 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)硬件 數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及顯示硬件由1臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站負(fù)責(zé)（位于監(jiān)控中

16、心內(nèi)，通過(guò)INTERNET相連）。計(jì)算機(jī)工作站主要用于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)軟件界面圖2.3.3.2預(yù)警指標(biāo)體系的建立預(yù)警模塊的信息來(lái)源包括基于在線自動(dòng)評(píng)估得到的初步評(píng)估結(jié)論（評(píng)估分級(jí)指標(biāo)）和基于運(yùn)營(yíng)自動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)得到的控制性結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)信息。預(yù)警體系從實(shí)現(xiàn)方法上可以劃分為無(wú)模型預(yù)警體系和有模型預(yù)警體系。（1）無(wú)模型預(yù)警體系的建立a) 這是以往監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法b) 建立在監(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c) 對(duì)橋梁在恒載其它荷載情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理d) 通過(guò)規(guī)范、歷史記錄、交通流量、環(huán)境參數(shù)等建立預(yù)警界限e) 根據(jù)情況設(shè)定不同的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)采取不同的處理f) 在綜合評(píng)估時(shí)考慮預(yù)警的情況（2）預(yù)警指標(biāo)