□文/齊懷展 吳立勇 何立忠

□吳立勇/天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司。

□何立忠/天津市市政工程研究院。

南倉編組站斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

□文/齊懷展 吳立勇 何立忠

針對天津南倉編組站斜拉橋大跨徑異型獨塔斜拉的結(jié)構(gòu)特點，建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過對大跨徑異型獨塔斜拉橋的橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、拉索索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動力特性等進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估。

斜拉橋；健康監(jiān)測；優(yōu)化布置；實時監(jiān)測

由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用，使用、維護不當(dāng)?shù)热藶橐蛩匾约叭找嬖黾拥慕煌髁坑绊?，大跨度橋梁隨著橋齡的增長，結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能發(fā)生退化。理論研究和經(jīng)驗都表明，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和橋梁運營過程中的損傷檢測、預(yù)警及適時維修有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。南倉編組站斜拉橋作為異型獨塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)形式新穎、體系受力復(fù)雜、橋梁交通流量大，有必要建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

工程概況

南倉編組站斜拉橋為獨塔4索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用塔梁固結(jié)形式。橋跨布置為150m+150m，每幅橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主梁截面，兩邊主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，除塔梁固結(jié)區(qū)其他部分左右幅分離，主梁頂面全寬22.425m，頂面單向1.5%橫坡，梁高2.5m（標(biāo)準(zhǔn)斷面），塔梁固結(jié)區(qū)加高到3.5m，梁端梁高變化到2.9m。索塔采用雙人形塔，內(nèi)側(cè)塔柱在橋面以下合二為一。索塔底面高程1.7m，塔頂高程106.7m，索塔總高度為109.0m，橋面以上塔的高度84.0m。斜拉索為鍍鋅平行鋼絲拉索，采用扇形布置，每側(cè)主塔設(shè)21對斜拉索，全橋共計84對拉索。設(shè)計荷載等級為城-A級，雙向8車道，設(shè)計車速80km/h。主橋立面圖及主梁斷面見圖1和圖2。

監(jiān)測方法和設(shè)備選擇

南倉編組站斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容包括橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)動力特性等，測點布置見圖3。

環(huán)境監(jiān)測

由于橋位環(huán)境與氣象站差異較大且橋址位于臨海地區(qū)，受海洋氣候影響，因此應(yīng)在橋位處安裝環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測的主要目的和作用是通過環(huán)境監(jiān)測選擇合適的監(jiān)測時機；通過環(huán)境監(jiān)測激活危險狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；通過風(fēng)荷載監(jiān)測把握橋址處的風(fēng)荷載真實狀況；利用溫度監(jiān)測結(jié)果修正監(jiān)測的應(yīng)力數(shù)值和橋梁的動力特性特征值；通過濕度和溫度監(jiān)測橋梁材料的耐久性狀況。

結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反應(yīng)，因此對結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測能夠更為準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變；另外，部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致變形情況的異常，通過對變形的監(jiān)測也可識別出這些損傷來；橋面的變形與橋梁線形直接相關(guān)，通過橋梁線形的變化也可以判斷橋梁的適用性。

主梁標(biāo)高變化的監(jiān)測采用液壓連通測壓管監(jiān)測主梁靜態(tài)線形，其工作原理見圖4。

對于塔頂位移采用GPS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。GPS采用實時差分進(jìn)行動態(tài)測量的精度可達(dá)毫米級，經(jīng)過系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，完全可以用于大型工程結(jié)構(gòu)的微觀測量。

索力監(jiān)測

南倉編組站斜拉橋的主梁自重及汽車荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的構(gòu)件，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構(gòu)件起著牽一發(fā)動全身的作用，因此準(zhǔn)確及時掌握拉索的內(nèi)力及變化特征至關(guān)重要。目前，可采用光纖傳感器、壓力環(huán)、磁通量傳感器、加速度傳感器等對拉索進(jìn)行索力監(jiān)測。

為實時監(jiān)測索力變化，采用磁通量傳感器實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集或遠(yuǎn)程操控。磁通量傳感器由激磁線圈和測量線圈兩層線圈組成，見圖5。其工作原理為磁彈儀給激磁線圈施加脈沖電壓信號，激磁線圈在拉索內(nèi)產(chǎn)生磁場強度，同時在測量線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓；拉索受到荷載作用，應(yīng)力產(chǎn)生變化，引起拉索內(nèi)部的磁場強度發(fā)生變化，從而測量線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓也發(fā)生變化，通過磁彈儀檢測出測量線圈上感應(yīng)電壓的微小變化，進(jìn)而推算出拉索索力。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)往往將導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布，所以對于應(yīng)力的異常變化應(yīng)給予足夠的重視并結(jié)合環(huán)境、變形等其他監(jiān)測結(jié)果來綜合判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否處在安全及可控的范圍。

應(yīng)變監(jiān)測可采用的傳感器包括電阻應(yīng)變片、鋼弦式應(yīng)變傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等。在健康監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)變監(jiān)測選用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器技術(shù)是通過對光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射波長光譜的檢驗，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對測量。而光纖光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期和反向耦合模的有效折射率，任何使這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵波長的漂移[1]。光纖光柵傳感器測量精度高、測試通道容量大、長期工作性能穩(wěn)定、不受電磁干擾，盡管溫漂大，但通過在應(yīng)變測點布設(shè)的光纖溫度傳感器對溫漂進(jìn)行修正后可以基本上消除溫度影響。

結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測

結(jié)構(gòu)損傷實質(zhì)上是結(jié)構(gòu)局部剛度、質(zhì)量的損失，反映在結(jié)構(gòu)動力特性上是結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有頻率和振型的變化。本系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)動力特性的變化來對結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行損傷監(jiān)測，即將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的實測結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行比較，判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；進(jìn)一步對有限元模型進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)行多荷載和復(fù)雜環(huán)境條件下橋梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)深入計算分析并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的安全評定和預(yù)警。

結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)涉及土木工程、力學(xué)、測試技術(shù)、計算機、圖形學(xué)和通信等多門學(xué)科，綜合性強，還有許多問題需要進(jìn)行研究探索，包括傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)損傷評定、狀態(tài)識別與安全性評估等。隨傳感器技術(shù)和安全評估等理論的不斷完善和發(fā)展，健康監(jiān)測系統(tǒng)必能成為橋梁安全運營、高效管理的有效手段。

[1]梁 磊，姜德生，周雪芳，等.光纖Bragg光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2003，1（2）：36-39.

U446.2

C

1008-3197（2010）05-41-03

2010-05-05

齊懷展/男，1981年出生，工程師，天津市市政工程研究院，從事橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測工作。

□吳立勇/天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司。

□何立忠/天津市市政工程研究院。