武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與變形分析

武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與變形分析

1信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)懸索橋以其高大的橫跨能力為特點(diǎn)，已成為大型橫跨橋的首選。今天，研究和建立大型橫跨懸索橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為一個(gè)趨勢(shì)。通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋所受環(huán)境與荷載作用狀況,通過(guò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)評(píng)估大橋工作性能、診斷結(jié)構(gòu)損傷并為后續(xù)維修提供指導(dǎo),避免大橋出現(xiàn)災(zāi)難性破環(huán)和高額維修加固費(fèi)用。目前,國(guó)內(nèi)外許多大跨度懸索橋建立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如何充分利用橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),更好地為橋梁運(yùn)營(yíng)工作服務(wù)成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)課題。本文介紹武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(YLBHMS)的設(shè)計(jì)與實(shí)施,重點(diǎn)對(duì)其中的變形和振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析,為橋梁運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供基本依據(jù)。2主橋及分離式h形空間索塔武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋(圖1)是京珠國(guó)道主干線及滬蓉國(guó)道主干線的重要組成部分。主橋?yàn)殇撓淞簯宜鳂?跨度布置為(250+1280+440)m,矢跨比為1/10.5。采用分離式H形空間索塔。為保證大橋運(yùn)營(yíng)期間的安全,并為大橋的維護(hù)提供及時(shí)指導(dǎo),建立和研究該橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成3.1橋梁結(jié)構(gòu)和安全評(píng)估監(jiān)測(cè)兩大類參數(shù):①環(huán)境條件參數(shù),包括風(fēng)速、溫度、車輛;②結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù),包跨位移、應(yīng)變、索力以及振動(dòng)響應(yīng)等。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:(1)通過(guò)運(yùn)營(yíng)期間監(jiān)測(cè)和評(píng)估,保證其有好的結(jié)構(gòu)性能和可維修性,判斷其是否適應(yīng)局部和全局的環(huán)境條件,及時(shí)改善安全性能以抵抗不利的荷載作用。(2)通過(guò)預(yù)測(cè)潛在的局部破壞,正確評(píng)估橋梁的強(qiáng)度和安全性,避免即將發(fā)生的破壞和推動(dòng)維護(hù)工作的進(jìn)行,為橋梁安全運(yùn)營(yíng)和安全性定期測(cè)量提供正確的決策信息。(3)通過(guò)比較監(jiān)測(cè)和計(jì)算數(shù)據(jù),更新、改善計(jì)算評(píng)估模型,研究可靠的方法應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)。(4)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)假定參數(shù),為大跨度懸索橋今后的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。3.2橋梁傳感器的設(shè)置YLBHMS由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)組成。傳感器包括風(fēng)速計(jì)、溫度傳感器、稱重傳感器、應(yīng)變計(jì)、GPS、位移計(jì)、撓度計(jì)以及加速度計(jì)等。圖2為傳感器在橋梁中的總體布局。在主跨跨中和兩端引橋處設(shè)置3個(gè)采集子站,將傳感器獲取的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),并通過(guò)布設(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)綐蛄嚎刂浦行摹？刂浦行挠?個(gè)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)處理與分析。計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)用于進(jìn)行后數(shù)據(jù)處理和工程結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)。4系統(tǒng)實(shí)施子系統(tǒng)安裝完成后在2008年5月開(kāi)始相繼使用,獲得了一些有意義的數(shù)據(jù)。以下重點(diǎn)對(duì)其中的變形和振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。4.1解釋設(shè)施的影響由于太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的影響,大跨度懸索橋受不斷變化的溫度荷載作用,導(dǎo)致大橋順橋向伸縮和豎向彎曲。大橋在溫度荷載作用下的伸縮或彎曲往往與支座和梁端伸縮縫的工作狀態(tài)密切相關(guān),如果支座或梁端伸縮縫損壞,額外的約束可能會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析溫度作用下的武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋?qū)崪y(cè)變形效應(yīng),通過(guò)結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)豎向和順橋向變形長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析確定溫度與變形的關(guān)系式。4.1.1主纜橋、下連接部位武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)采用數(shù)字化溫度傳感器。該溫度測(cè)試系統(tǒng)由于采用數(shù)字信號(hào)采集傳輸,數(shù)據(jù)不會(huì)失真,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性,同時(shí)大大減少了系統(tǒng)的電纜數(shù),保證了溫度測(cè)量的同步性。在主纜跨中布設(shè)了3個(gè)溫度傳感器,箱梁跨中布置了5個(gè)溫度傳感器。大跨度懸索橋在溫度荷載作用下變形較大,變形與大橋的正常使用狀態(tài)相關(guān),且與支座、伸縮縫的工作狀態(tài)有關(guān)。大橋共布設(shè)4個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)和1個(gè)基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)。其中南、北塔塔頂各1個(gè),主要用于監(jiān)測(cè)橋塔順橋向和橫向動(dòng)態(tài)變形;上、下游主纜跨中各1個(gè),主要用于監(jiān)測(cè)主纜跨中的豎向、橫向動(dòng)態(tài)變形。加勁梁兩端各布設(shè)1個(gè)磁致伸縮儀,監(jiān)測(cè)梁端順橋向位移。由于該橋柔度大,當(dāng)大橋的變形過(guò)大或超過(guò)允許值時(shí),將造成行車不平順,導(dǎo)致橋面鋪裝層開(kāi)裂等問(wèn)題。因此除了要監(jiān)測(cè)個(gè)別關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的變形外,整個(gè)加勁梁的變形狀況也需要監(jiān)測(cè)。4.1.2溫度變形關(guān)系式的建立武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋索塔下橫梁處各設(shè)置3個(gè)豎向支座和2個(gè)順橋向阻尼緩沖支座,橫向設(shè)置限位裝置。溫度荷載作用下允許加勁梁縱向變形。為掌握溫度作用下大橋的位移響應(yīng),長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)溫度和位移。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)布設(shè)于主纜和鋼箱梁上的溫度傳感器獲得,對(duì)通過(guò)磁致伸縮儀、GPS、液位撓度傳感器長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得結(jié)構(gòu)變形,從而得到溫度～變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖3～6可以看出,圖中時(shí)程數(shù)據(jù)體現(xiàn)了較好的規(guī)律性,溫度變形效應(yīng)隨著溫度變化而變化。某天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,鋼箱梁溫度在凌晨7時(shí)左右溫度最低,而在15:30左右達(dá)到峰值(圖3)。當(dāng)溫度降低時(shí),梁端位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變大(圖4),主纜和加勁梁位移時(shí)程波形上凸,表明鋼箱梁收縮,同時(shí)主纜和鋼箱梁上撓(圖5、圖6)。反之溫度升高則溫度效應(yīng)具有與之對(duì)應(yīng)一致的規(guī)律。溫度～變形關(guān)系式可通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法分析得到,擬合公式為:式中,D為測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移;T為實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)溫度;a為溫度效應(yīng)系數(shù),反映溫度每變化1℃結(jié)構(gòu)變形的大小(mm);b為實(shí)常數(shù)。圖7為大橋溫度作用下豎向、順橋向位移變化率(每度對(duì)應(yīng)的變形值),圖中塔頂和梁端標(biāo)示為順橋向位移變化率,加勁梁處標(biāo)示為豎向位移變化率。從圖7中可以看出:溫度作用下主纜和鋼箱梁跨中實(shí)測(cè)豎向位移變化率基本一致,因此可以認(rèn)為溫度作用下鋼箱梁的變形效應(yīng)主要受制于主纜的變形;1/4跨與3/4跨溫度效應(yīng)較跨中小;橋塔順橋向變位相近,北塔稍大;箱梁兩端伸縮縫順橋向變化率基本一致。因此,通過(guò)前期一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析?？梢越囟取冃侮P(guān)系式。在后續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,通過(guò)及時(shí)分析獲得的溫度效應(yīng)變化率,可以判斷大橋整體變形是否在合理范圍之內(nèi),支座、伸縮縫的工作狀況是否正常,這對(duì)于大橋運(yùn)營(yíng)期間的安全狀態(tài)評(píng)估具有重要意義。4.2振動(dòng)傳感器的安裝大橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與橋梁結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、阻尼值及其分布有關(guān)。結(jié)構(gòu)的剛度決定了結(jié)構(gòu)的靜撓度,質(zhì)量是決定自振頻率的重要因素。這種影響涉及風(fēng)振方面時(shí),通常在旋風(fēng)激蕩下會(huì)產(chǎn)生很大影響,雖然反應(yīng)(振幅振動(dòng))很小,但臨界風(fēng)速的風(fēng)能導(dǎo)致振動(dòng)變大。阻尼通常影響振動(dòng)幅度,隨著阻尼變大,振幅變小,但臨界風(fēng)速的風(fēng)卻使橋的振動(dòng)變大。為了監(jiān)測(cè)橋的動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)響應(yīng),振動(dòng)傳感器安裝在橋面、橋塔以及主纜上。得到的結(jié)果用來(lái)確定橋梁的頻率、振型以及模態(tài)阻尼,并監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)。與理論值進(jìn)行比較,為今后結(jié)構(gòu)的損害檢查工作提供參考。4.2.1大橋振動(dòng)監(jiān)測(cè)武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋建成后,在大橋上布設(shè)了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),長(zhǎng)時(shí)間記錄橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境和車輛激勵(lì)下引起的橋梁振動(dòng)。根據(jù)大橋振動(dòng)特點(diǎn),在大橋多個(gè)部件共布置測(cè)點(diǎn)56個(gè),測(cè)點(diǎn)位置包括主纜、橋塔以及加勁梁多個(gè)部位。主纜布置豎、橫向共10個(gè)測(cè)點(diǎn),加勁梁布置豎、橫、順橋向以及扭轉(zhuǎn)共30個(gè)測(cè)點(diǎn),南、北橋塔塔頂和塔2/3處布置橫橋向及順橋向4個(gè)測(cè)點(diǎn),共8個(gè)測(cè)點(diǎn),另外在橋面板上布設(shè)8個(gè)加速度傳感器以監(jiān)測(cè)正交異性板局部振動(dòng)。4.2.2環(huán)境激勵(lì)下多階橫向自振頻率實(shí)測(cè)結(jié)果分析從測(cè)試的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)中識(shí)別出全橋的振動(dòng)模態(tài)。固有頻率(表1)、振型(圖8)以及阻尼(表2)對(duì)橋梁抗震抗風(fēng)分析、健康監(jiān)測(cè)以及損傷診斷至關(guān)重要。由以上實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果可知,大橋豎向自振頻率和橫向自振頻率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較接近。環(huán)境激勵(lì)下可獲得大橋的多階豎向振型和部分橫向模態(tài),縱向模態(tài)和部分低階模態(tài)由于信號(hào)過(guò)弱或者基準(zhǔn)點(diǎn)位于振型節(jié)點(diǎn)的原因,信噪比較小而無(wú)法得出振型曲線。實(shí)測(cè)阻尼比在合理范圍之內(nèi)。4.2.3振動(dòng)響應(yīng)分析北京時(shí)間2008年5月12日14:28,在四川汶川縣(北緯31.0°,東經(jīng)103.4°)發(fā)生里氏8.0級(jí)地震,距武漢市約1040km。因本次地震衰減較慢,武漢地區(qū)普遍有感,傳至武漢時(shí)的地震烈度在4～5度,為有感地震。武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功捕獲到地震下的橋梁振動(dòng)響應(yīng)。圖9為地震前后部分測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線,表3為主要測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)最值。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,可以得到如下結(jié)論:(1)監(jiān)測(cè)到的橋梁振動(dòng)信號(hào)顯示:從14:32開(kāi)始大橋有比較大的振動(dòng)響應(yīng),之后振動(dòng)響應(yīng)慢慢衰減。(2)實(shí)測(cè)地震作用下大橋最大位移為85.9mm,為加勁梁1/4處豎向振動(dòng);最大速度為42.6mm/s,為主纜跨中橫向振動(dòng);最大加速度為394.1mm/s2(約為0.04g),為北塔縱向振動(dòng)。(3)通過(guò)分析地震作用前后大橋振動(dòng)頻率和溫度效應(yīng)等變化,可以推斷大橋整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變,支座和伸縮縫工作狀況正常。(4)從實(shí)測(cè)地震響應(yīng)結(jié)果來(lái)看,大橋地震作用響應(yīng)在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。5大橋的地震響應(yīng)本文對(duì)武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了概述,并對(duì)其在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了探討。重點(diǎn)分析了大橋的實(shí)測(cè)溫度變形效應(yīng),得到了結(jié)構(gòu)重要部位靜力特征參數(shù)一—溫度變形率,為大