大跨徑懸索橋健康監(jiān)測(cè)研究
2015-06-09
隨著交通建設(shè)項(xiàng)目日益增多，一些大跨度橋梁以及特大跨度的橋梁越來(lái)越多見(jiàn)，人們對(duì)這些橋梁的耐久性、安全性和正常使用功能越來(lái)越關(guān)注和重視。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立了，就能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握橋梁的工作性能，從而為橋梁的維護(hù)工作做準(zhǔn)備，這樣就確保了橋梁的結(jié)構(gòu)安全并實(shí)現(xiàn)橋梁的安全運(yùn)行，所以建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。
橋梁健康監(jiān)測(cè)就是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度進(jìn)行診斷，對(duì)橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估。 目前國(guó)內(nèi)外懸索橋健康監(jiān)測(cè)著名的橋梁有：日本明石海峽大橋（主跨1991m，目前世界上最長(zhǎng)的懸索橋）橋上安裝了包括地震儀、風(fēng)速計(jì)、加速度計(jì)、速度計(jì)、GPS等監(jiān)測(cè)系統(tǒng);香港青馬大橋（主跨1377米的懸索橋）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)永久性地安裝了800多個(gè)各類傳感器用于監(jiān)測(cè)橋梁的健康狀態(tài)及運(yùn)營(yíng)狀況；潤(rùn)揚(yáng)大橋南汊橋（主跨1490m，國(guó)內(nèi)第一）。中國(guó)是一個(gè)橋梁大國(guó)，目前大跨度橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，因而如何有效地對(duì)大跨度懸索橋進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)成為我國(guó)橋梁界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
1工程背景
重慶市南川至涪陵高速公路第LJ15～LJ16合同段涪陵青草背長(zhǎng)江大橋位于路線K48+657～K50+376處。本橋橋型為單跨788m懸索橋，加勁梁為流線型扁平鋼箱梁，門形框架式索塔，鉆孔群樁基礎(chǔ)，全橋長(zhǎng)1719m。主纜跨徑布置為，中跨788m；南北邊跨均為245m（無(wú)吊索）。中跨理論垂度為78.8m，垂跨比為1:10。主纜中心距為28.7m；吊索間距為16m（近塔吊索距中心線18m）。本文采用脊梁模式建立懸索橋空間有限元模型，在有限元分析時(shí)，加勁梁、塔柱和塔橫梁等簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧?，主纜和吊桿則簡(jiǎn)化為只受拉索單元，主梁和吊桿間采用剛性連接。橋梁上部結(jié)構(gòu)立面布置如 圖1所示。
圖1橋梁上部結(jié)構(gòu)立面圖（單位：cm）
Fig.1 Elevation drawing of the bridge superstructure
2青草背長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)
2.1青草背長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
為確保青草背長(zhǎng)江大橋的使用安全，有必要針對(duì)本橋特點(diǎn)，建立和發(fā)展一個(gè)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的診斷量測(cè)手段，通過(guò)對(duì)大橋關(guān)鍵部位的空間位置、力學(xué)性能及其變化的長(zhǎng)期和定期監(jiān)測(cè)、分析。青草背長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件2個(gè)部分，主要包括5個(gè)主體系統(tǒng)，即：①傳感器系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)；④仿真分析處理及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；⑤綜合評(píng)估決策與自動(dòng)安全預(yù)警智能系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作。
2.2青草背長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
決策者可以通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的信息，針對(duì)關(guān)心的目標(biāo)做出正確的決策。然而，對(duì)于營(yíng)運(yùn)期間的橋梁結(jié)構(gòu)而言，政府、橋梁管理部門、維修養(yǎng)護(hù)部門等關(guān)心的問(wèn)題各不相同。因此，青草背大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要把握以下幾個(gè)原則：
?、倏煽啃裕阂?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是長(zhǎng)期野外實(shí)時(shí)運(yùn)行，所以必須保證系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)青草背大橋的地理位置特征和結(jié)構(gòu)特征，選擇國(guó)內(nèi)外有業(yè)績(jī)的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，保證其功能和指標(biāo)要求的實(shí)現(xiàn)。②先進(jìn)性：青草背大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高。系統(tǒng)采用的技術(shù)要與大橋的重要性相適合，使其監(jiān)測(cè)能力能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。③可操作和易維護(hù)性：系統(tǒng)正常運(yùn)行后應(yīng)易于管理、易于操作，應(yīng)避免因復(fù)雜操作帶來(lái)的困難和失誤。選用的系統(tǒng)產(chǎn)品升級(jí)換代方便，不至于因?yàn)橄到y(tǒng)維護(hù)和調(diào)整而破壞整個(gè)系統(tǒng)。
3傳感器布設(shè)
對(duì)于大跨度懸索橋來(lái)說(shuō)，受動(dòng)力荷載作用較大，橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性明顯。而對(duì)采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的加速度傳感器等的布設(shè)，就需要結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)等信息，進(jìn)行傳感器布設(shè)的優(yōu)化。即將最佳數(shù)目的傳感器布設(shè)在結(jié)構(gòu)信息最豐富的位置，盡可能多地反映出結(jié)構(gòu)總體運(yùn)行狀態(tài)信息，降低成本，提高損傷診斷能力。傳感器的優(yōu)化布設(shè)方法很多，依采用的不同標(biāo)準(zhǔn)而各異。如模態(tài)動(dòng)能法（MKE）、特征向量乘積法（ECP）、模態(tài)分量加和法（MSSP）及MinMAC法等。對(duì)于青草背長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)遵循從狀態(tài)評(píng)估的需要出發(fā)，以有效和經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，使測(cè)點(diǎn)能夠發(fā)揮最大效應(yīng)的原則，綜合結(jié)構(gòu)評(píng)估、傳感器布設(shè)優(yōu)化理論等因素，進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布設(shè)。本橋采用有限元軟件Midas/civil計(jì)算，對(duì)本橋的有限元模型取前10階模態(tài)進(jìn)行特征值分析。本橋前10階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1所示：
表1 青草背長(zhǎng)江大橋前10階模態(tài)
1)主梁和主纜吊桿的監(jiān)測(cè)由表1中的振型特征可知，本橋在實(shí)際健康監(jiān)測(cè)中除了要監(jiān)測(cè)豎向振動(dòng)特性，還需監(jiān)測(cè)橫向振動(dòng)特性。根據(jù)全橋每個(gè)節(jié)點(diǎn)各自由度前十階模態(tài)分量加和值（MSSPi）數(shù)據(jù)信息的計(jì)算、整理和分析結(jié)果，在振動(dòng)幅值較大的位置布置相應(yīng)類型的動(dòng)力傳感器。在主梁中跨的兩1/4截面和跨中截面處布設(shè)單向加速度傳感器，在主纜跨中布置雙向加速度傳感器。而對(duì)于靜力傳感器，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果，一般布置在應(yīng)力較大或者應(yīng)力集中點(diǎn)、結(jié)構(gòu)支承點(diǎn)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯處及對(duì)結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響較大的構(gòu)件上即可滿足監(jiān)測(cè)要求。本橋做健康監(jiān)測(cè)用的應(yīng)變傳感器選用光纖光柵應(yīng)變傳感器，布置在1/5處。主梁線形監(jiān)測(cè)采用GPS在跨中截面布置測(cè)點(diǎn)。主梁的縱向位移監(jiān)測(cè)采用線位移傳感器，分別布置在懸索橋的梁兩端。主梁溫度監(jiān)測(cè)選擇跨中截面。吊桿監(jiān)測(cè)選取第1、4、7、10、39、42、45、48號(hào)對(duì)稱布置加速度傳感器。
2)索塔的監(jiān)測(cè)南北索塔上橫梁各布置2個(gè)加速度傳感器；南北索塔1/4處布置傾角儀；南北索塔中橫梁處各布置12個(gè)應(yīng)變傳感器。
3)錨碇的監(jiān)測(cè)在南北錨跨各布置6個(gè)加速度傳感器監(jiān)測(cè)索力；南北錨碇各布置2個(gè)位移計(jì)監(jiān)測(cè)錨碇位移。
4)環(huán)境監(jiān)測(cè)風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)通過(guò)安裝在跨中的風(fēng)速儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。全橋傳感器布設(shè)如圖2所示。
4結(jié)束語(yǔ)
大跨徑懸索橋健康監(jiān)測(cè)屬于多學(xué)科交叉技術(shù)，而環(huán)境影響也具有很大的隨機(jī)性和不確定性，這些都使得目前橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在很多不足。目前傳感器的布置依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還缺乏統(tǒng)一有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)的算法；傳感器優(yōu)化布置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一，各種方法各有側(cè)重，很難說(shuō)哪個(gè)更優(yōu)于另外一個(gè)。本論文在現(xiàn)有的傳感器技術(shù)條件下，對(duì)青草背大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，到達(dá)了對(duì)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，對(duì)目前同類型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用，也為今后系統(tǒng)準(zhǔn)確和有效的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
