錢若霖，何啟龍，蘇佩

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061)

目標(biāo)橋梁安裝多種類型的傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)期特定位置的響應(yīng)信號(hào)，并通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類研究，可為傳感器故障[1]、橋梁地震響應(yīng)[2]、超活荷載通行[3]、臺(tái)風(fēng)[4]等特殊事件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析提供參考資料。在工程實(shí)際中，與日常結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比，橋梁的高烈度地震響應(yīng)數(shù)量級(jí)非常明顯，可依靠多種類型傳感器有效地識(shí)別；但對(duì)于低烈度[5]地震響應(yīng)，因其水平加速度峰值偏低，易被活荷載響應(yīng)掩蓋，無(wú)法有效地區(qū)分活荷載和低烈度地震響應(yīng)。

目前，基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地震響應(yīng)分析，主要針對(duì)強(qiáng)震響應(yīng)的監(jiān)控與預(yù)警值分析，如珠江黃埔大橋[6]、Hakucho Suspension 橋[7]等，以及結(jié)構(gòu)抗震安全性分析，如港珠澳大橋[8]、上海長(zhǎng)江隧橋[9]等；在低烈度地震響應(yīng)下，鋼桁架橋雖具有良好的抗震性能，但局部也會(huì)發(fā)生輕微變形甚至塑性損傷，若未及時(shí)監(jiān)測(cè)到并維修養(yǎng)護(hù)，會(huì)對(duì)橋梁的整體承載能力造成影響，因此對(duì)鋼桁架橋?qū)嵭薪】当O(jiān)測(cè)并針對(duì)其低烈度地震響應(yīng)展開研究同樣具有一定工程意義。

本文依托重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)2019年6月17—18日宜賓地震對(duì)應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，提取出可有效識(shí)別低烈度地震響應(yīng)的傳感器類型及其數(shù)據(jù)特征。

1 橋梁概況

依托橋梁位于重慶市，為鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋，與地震震源直線距離約210 km。該橋于1958年開工建設(shè)，1966年1月建成通車，2019年完成橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架設(shè)與試運(yùn)營(yíng)。橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，正橋跨徑組合為68 m+80 m+88 m+80 m+68 m，正橋第1、3、5 孔為掛梁，長(zhǎng)48 m；第2、4 孔為鋼梁T構(gòu)，長(zhǎng)120 m。其中兩端懸臂長(zhǎng)度為20 m。掛梁與T梁間采用鉸軸連接，掛梁為平行弦三角形體系，桁高6.2 m，節(jié)間長(zhǎng)度4 m。T梁在橋墩支座處設(shè)有加勁弦桿，支座至下弦桿高度為9 m。

圖1 橋梁總體布置圖

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018年施工，2019年按計(jì)劃完成傳感器鋪設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試，并順利完成試運(yùn)營(yíng)分析。該系統(tǒng)由自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、安全預(yù)警與狀態(tài)評(píng)估、用戶界面等四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，可實(shí)時(shí)獲取橋址環(huán)境荷載源、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、航道等信息,見表1，并用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常狀況的初級(jí)階段發(fā)出預(yù)警，輔助管養(yǎng)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)，避免結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化，降低橋梁災(zāi)害性事故發(fā)生的概率。

表1 健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)位置信息表

本文依托已建成的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋的低烈度地震響應(yīng)進(jìn)行研究，文中采用的部分傳感器位置示意如圖2和圖3所示，傳感器采樣頻率及編號(hào)形式見表 2(注：XX表示截面，YY表示該截面的傳感器序號(hào))。

圖2 部分測(cè)點(diǎn)布置立面示意圖

圖3 部分測(cè)點(diǎn)布置橫截面示意圖

表2 部分測(cè)點(diǎn)傳感器參數(shù)表

3 地震響應(yīng)情況

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)公布資料，2019年6月17日晚四川省宜賓市發(fā)生多次5.0級(jí)以上地震，直線距離約210公里的重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋有明顯震感，空間距離如圖4所示，地震傳播方向與橋梁走向大約相交85°。

圖4 震源與依托橋梁的空間距離示意圖

依托橋梁17—18日(2019年6月，下同)的橋墩墩頂?shù)卣饍x在水平方向均存在加速度值突變，以1#墩(左次邊墩，見圖 3)為例，其兩天時(shí)程如圖5所示：17日22∶33左右，X方向(橋梁縱向)和Y方向(橋梁橫向)同時(shí)出現(xiàn)極大值，分別為7.6 mg和4.6 mg，且遠(yuǎn)大于活荷載響應(yīng)峰值；結(jié)合地震臺(tái)統(tǒng)計(jì)，判定17日22∶33(邊框標(biāo)注)的異常值為地震響應(yīng)。結(jié)合極大值出現(xiàn)時(shí)間，地震抵達(dá)橋梁時(shí)間如表3所示(表3中序號(hào)在下文表示地震抵達(dá)次序)。

圖5 17—18日左邊跨墩頂加速度水平時(shí)程圖

表3 17—18日宜賓市地震信息表(5.0級(jí)以上)

由上述圖表可知：該橋在宜賓5.0級(jí)以上的地震響應(yīng)中，最明顯的地震響應(yīng)為地震①；X方向最大峰值7.6 mg，為低烈度地震響應(yīng),由地震①引起，其他地震響為2.8 mg、1.9 mg，低于活荷載響應(yīng)X方向峰值眾數(shù)4.0mg，無(wú)法區(qū)分；Y方向最大峰值4.6 mg,亦由地震①引起，其他地震響應(yīng)峰值為1.0 mg、1.0 mg，低于活荷載響應(yīng)Y方向峰值眾數(shù)1.1 mg,區(qū)分困難；即依靠橋墩頂加速度傳感器，可有效監(jiān)測(cè)類似宜賓6.0級(jí)以上的地震響應(yīng)。

以地震①為例對(duì)橋墩水平加速度響應(yīng)峰值分析，如表4所示，最大水平加速度值為7.6 mg,低于烈度6度(15 mg)要求，為低烈度地震響應(yīng)；其中活荷載響應(yīng)峰值為扣除地震響應(yīng)的17—18日最大峰值，X表示橋梁縱向，Y表示橋梁橫向。

根據(jù)該橋設(shè)計(jì)：地震動(dòng)參數(shù)選取為“中、大震分別取50年超越概率10%和50年超越概率3%的概率水準(zhǔn)下的水平向的基巖峰值加速度：136.5 mg和233.3 mg”。參照表4，記錄的水平加速度峰值(小于10 mg)，可知本次地震對(duì)大橋結(jié)構(gòu)安全的影響較小。

表4 地震加速度峰值和活荷載加速度峰值對(duì)比(地震①)

仔細(xì)比較和分析該橋結(jié)構(gòu)在地震前后10 min的各類響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)捕捉到了地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，由于烈度小(低于6.0度)，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量級(jí)異常情況，表明宜賓地震響應(yīng)對(duì)該橋結(jié)構(gòu)未造成大的影響，仍處于安全受控狀態(tài)。為了和活荷載效應(yīng)區(qū)分，該橋當(dāng)?shù)卣饎?dòng)X、Y方向監(jiān)測(cè)到的最大峰值超過活荷載峰值的眾數(shù)4倍，可用于判斷該橋梁承受了地震沖擊。

4 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

4.1 主梁加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

該橋鋼桁縱梁在固定鉸及跨中處安裝了豎向加速度傳感器,采樣頻率設(shè)為200 Hz。當(dāng)鋼桁架梁橋受到低烈度地震影響時(shí)，選取地震①前后10 min進(jìn)行時(shí)程分析(時(shí)間區(qū)間22∶55—23∶05)，部分加速度傳感器地震響應(yīng)峰值和活荷載響應(yīng)峰值對(duì)比如表5所示，左次邊跨(JSD-05-01)和中跨跨中(JSD-07-01)的10 min加速度時(shí)程如圖6所示，其中方框表示地震①抵達(dá)時(shí)該橋的地震響應(yīng)。結(jié)合地震①的豎向加速度峰值分析：從變化規(guī)律的角度分析，橋梁結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱部分的加速度峰值增大比率相反，但絕對(duì)值大致相同；從數(shù)值變化的角度分析，宜賓6.0級(jí)以上地震的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與活荷載響應(yīng)的峰值差異不顯著，僅依靠豎向加速度傳感器進(jìn)行區(qū)分，易與活荷載響應(yīng)混淆，單獨(dú)應(yīng)用于低烈度地震響應(yīng)判斷困難。

表5 10 min主梁部分豎向加速度傳感器峰值對(duì)比

圖6 10 min 主梁豎向加速度時(shí)程圖

4.2 伸縮縫位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

該橋位移傳感器為磁致位移計(jì)，位于主橋兩側(cè)的伸縮縫，17—18日主橋右側(cè)的位移傳感器(WY-13-02)時(shí)程如圖7所示(圖中框選為地震①的位移變化)。

圖7 17—18日伸縮縫水平位移時(shí)程圖

從兩天時(shí)程圖中，地震①的伸縮縫寬度突變情況進(jìn)行分析，伸縮縫在低烈度地震下的影響不大。提取該時(shí)段內(nèi)10 min時(shí)程圖，見圖8：地震①抵達(dá)該橋后，引起伸縮縫收縮，并持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間；在地震荷載的作用下，該橋一側(cè)伸縮縫縮小0.2 mm，單次活荷載引起的最大伸縮縫變形為0.32 mm，因此伸縮縫位移監(jiān)測(cè)無(wú)法用于分辨低烈度地震與活荷載的影響。

圖8 2 min 伸縮縫水平位移時(shí)程圖(地震①)

4.3 橋墩傾角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

該橋橋墩傾角監(jiān)測(cè)采用傾角儀，布設(shè)在橋墩的墩頂中心線處，17—18 日左邊墩傾角傳感器(QJY-01-01)時(shí)程如圖9所示。

圖9 17—18日左邊墩傾角傳感器時(shí)程圖

X方向(橫橋向)的橋墩剛度較大，單次活荷載響應(yīng)不明顯，但圖中傾角峰值均對(duì)應(yīng)宜賓三次5.0以上地震，三次峰值分別為8.2 ‰rad、0.03‰rad、1.9‰rad；Y方向(縱橋向)地震①的傾角峰值為4.0‰rad，單次活荷載響應(yīng)最大峰值為3.8‰rad，差異不顯著；即從峰值角度分析，橫橋向橋墩傾角可有效用于識(shí)別地震特殊事件；縱橋向受到活荷載效應(yīng)干擾嚴(yán)重，不易識(shí)別。

4.4 主梁線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

該橋主梁線形監(jiān)測(cè)采用壓差位移計(jì)，布設(shè)在固定鉸和跨中處，17—18 日左邊跨跨中撓度傳感器(ND-05-01)時(shí)程(去除趨勢(shì)項(xiàng)，即不考慮溫度影響)如圖10所示：圖中兩個(gè)峰值60.9 mm和22.1 mm分別對(duì)應(yīng)地震①、②的響應(yīng)，與地震②相似震級(jí)的地震③豎向撓度傳感器無(wú)法識(shí)別，故針對(duì)宜賓地震，即豎向位移監(jiān)測(cè)可有效區(qū)別類似宜賓6.0級(jí)以上地震響應(yīng)；對(duì)于5.0 ～ 6.0 級(jí)地震識(shí)別效果并不理想，需結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)綜合判斷。

圖10 17—18日左邊跨跨中撓度傳感器時(shí)程圖(去除趨勢(shì)項(xiàng))

對(duì)于宜賓地震，傳感器地震效應(yīng)峰值與日常(含活荷載響應(yīng))變化值如表6所示。結(jié)合地震①、②與活荷載響應(yīng)峰值的倍率為1.9～11.0，當(dāng)所有撓度傳感器響應(yīng)變化值超過活荷載響應(yīng)峰值的2倍時(shí)，可結(jié)合其他傳感器進(jìn)行綜合判斷；當(dāng)所有撓度傳感器響應(yīng)變化值超過活荷載響應(yīng)峰值的6倍時(shí)，僅通過豎向撓度傳感器就可證明橋梁結(jié)構(gòu)承受了地震沖擊。

表6 10 min主梁撓度傳感器峰值對(duì)比

4.5 鋼桁梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

該橋在正交異性橋面板位置安裝了16個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，根據(jù)2天的應(yīng)變時(shí)程圖分析，該傳感器類型無(wú)法用于識(shí)別低烈度地震響應(yīng)。以地震①和左邊跨跨中應(yīng)變(DYB-12-01)為例，其2 min 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)程見圖11，低烈度下的地震響應(yīng)被活荷載掩蓋，無(wú)法提取鋼桁梁雙懸臂橋主桁梁在低烈度地震下的應(yīng)變特征。

圖11 2 min 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)程圖(地震①)

5 結(jié)論

重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在6.17宜賓地震期間，及時(shí)捕捉到這一信息，并記錄了此時(shí)結(jié)構(gòu)的低烈度地震響應(yīng)。

(1)由于地震能量的衰減，經(jīng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)在震后以較快速度回到正常變化趨勢(shì)，本次地震對(duì)該橋結(jié)構(gòu)安全和正常使用不構(gòu)成威脅，可以正常服役；

(2)低烈度地震響應(yīng)中，部分橋墩的墩頂加速度信號(hào)、主梁豎向加速度信號(hào)、變化幅度較大的傾角以及主梁應(yīng)變易受到活荷載影響，無(wú)法有效識(shí)別低烈度響應(yīng)；

(3)為識(shí)別低烈度地震響應(yīng)，并與活荷載響應(yīng)區(qū)分，傳感器信號(hào)可選用橋墩地震船撞監(jiān)測(cè)、傾角(橫橋向)、主梁撓度等正常峰值上限與活荷載響應(yīng)極值來(lái)識(shí)別低烈度地震效應(yīng)影響，并可多類型傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)一步確認(rèn)；

(4)地震船撞可根據(jù)X、Y方向監(jiān)測(cè)到的最大峰值超過活荷載響應(yīng)峰值的4倍來(lái)判斷橋梁承受了地震沖擊，根據(jù)跨中豎向撓度監(jiān)測(cè)最大峰值超過活荷載響應(yīng)峰值的6倍來(lái)確認(rèn)。