大跨徑懸索橋健康監(jiān)測研究
2015-06-09
隨著交通建設(shè)項目日益增多，一些大跨度橋梁以及特大跨度的橋梁越來越多見，人們對這些橋梁的耐久性、安全性和正常使用功能越來越關(guān)注和重視。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建立了，就能夠及時準(zhǔn)確掌握橋梁的工作性能，從而為橋梁的維護工作做準(zhǔn)備，這樣就確保了橋梁的結(jié)構(gòu)安全并實現(xiàn)橋梁的安全運行，所以建立健康監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。
橋梁健康監(jiān)測就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測、實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估。 目前國內(nèi)外懸索橋健康監(jiān)測著名的橋梁有：日本明石海峽大橋（主跨1991m，目前世界上最長的懸索橋）橋上安裝了包括地震儀、風(fēng)速計、加速度計、速度計、GPS等監(jiān)測系統(tǒng);香港青馬大橋（主跨1377米的懸索橋）健康監(jiān)測系統(tǒng)永久性地安裝了800多個各類傳感器用于監(jiān)測橋梁的健康狀態(tài)及運營狀況；潤揚大橋南汊橋（主跨1490m，國內(nèi)第一）。中國是一個橋梁大國，目前大跨度橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，因而如何有效地對大跨度懸索橋進行健康監(jiān)測成為我國橋梁界研究的熱點和重點。
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1719m。主纜跨徑布置為，中跨788m；南北邊跨均為245m（無吊索）。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，加勁梁、塔柱和塔橫梁等簡化為空間梁單元，主纜和吊桿則簡化為只受拉索單元，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青草背長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計
2.1青草背長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
為確保青草背長江大橋的使用安全，有必要針對本橋特點，建立和發(fā)展一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的診斷量測手段，通過對大橋關(guān)鍵部位的空間位置、力學(xué)性能及其變化的長期和定期監(jiān)測、分析。青草背長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件2個部分，主要包括5個主體系統(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綜合評估決策與自動安全預(yù)警智能系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進行運作。
2.2青草背長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
決策者可以通過健康監(jiān)測系統(tǒng)提供的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的信息，針對關(guān)心的目標(biāo)做出正確的決策。然而，對于營運期間的橋梁結(jié)構(gòu)而言，政府、橋梁管理部門、維修養(yǎng)護部門等關(guān)心的問題各不相同。因此，青草背大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，在進行設(shè)計時，主要把握以下幾個原則：
①可靠性：因為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是長期野外實時運行，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，選擇國內(nèi)外有業(yè)績的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，保證其功能和指標(biāo)要求的實現(xiàn)。②先進性：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)測能力能達到國際先進水平。③可操作和易維護性：系統(tǒng)正常運行后應(yīng)易于管理、易于操作，應(yīng)避免因復(fù)雜操作帶來的困難和失誤。選用的系統(tǒng)產(chǎn)品升級換代方便，不至于因為系統(tǒng)維護和調(diào)整而破壞整個系統(tǒng)。
3傳感器布設(shè)
對于大跨度懸索橋來說，受動力荷載作用較大，橋梁結(jié)構(gòu)動力特性明顯。而對采集結(jié)構(gòu)振動信號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。對于青草背長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)遵循從狀態(tài)評估的需要出發(fā)，以有效和經(jīng)濟為目標(biāo)，使測點能夠發(fā)揮最大效應(yīng)的原則，綜合結(jié)構(gòu)評估、傳感器布設(shè)優(yōu)化理論等因素，進行傳感器的優(yōu)化布設(shè)。本橋采用有限元軟件Midas/civil計算，對本橋的有限元模型取前10階模態(tài)進行特征值分析。本橋前10階模態(tài)計算結(jié)果如表1所示：
表1 青草背長江大橋前10階模態(tài)
1)主梁和主纜吊桿的監(jiān)測由表1中的振型特征可知，本橋在實際健康監(jiān)測中除了要監(jiān)測豎向振動特性，還需監(jiān)測橫向振動特性。根據(jù)全橋每個節(jié)點各自由度前十階模態(tài)分量加和值（MSSPi）數(shù)據(jù)信息的計算、整理和分析結(jié)果，在振動幅值較大的位置布置相應(yīng)類型的動力傳感器。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。而對于靜力傳感器，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元計算結(jié)果，一般布置在應(yīng)力較大或者應(yīng)力集中點、結(jié)構(gòu)支承點，結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯處及對結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響較大的構(gòu)件上即可滿足監(jiān)測要求。本橋做健康監(jiān)測用的應(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)測采用GPS在跨中截面布置測點。主梁的縱向位移監(jiān)測采用線位移傳感器，分別布置在懸索橋的梁兩端。主梁溫度監(jiān)測選擇跨中截面。吊桿監(jiān)測選取第1、4、7、10、39、42、45、48號對稱布置加速度傳感器。
2)索塔的監(jiān)測南北索塔上橫梁各布置2個加速度傳感器；南北索塔1/4處布置傾角儀；南北索塔中橫梁處各布置12個應(yīng)變傳感器。
3)錨碇的監(jiān)測在南北錨跨各布置6個加速度傳感器監(jiān)測索力；南北錨碇各布置2個位移計監(jiān)測錨碇位移。
4)環(huán)境監(jiān)測風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測通過安裝在跨中的風(fēng)速儀進行監(jiān)測。全橋傳感器布設(shè)如圖2所示。
4結(jié)束語
大跨徑懸索橋健康監(jiān)測屬于多學(xué)科交叉技術(shù)，而環(huán)境影響也具有很大的隨機性和不確定性，這些都使得目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)還存在很多不足。目前傳感器的布置依據(jù)經(jīng)驗，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)化布置的評價標(biāo)準(zhǔn)不一，各種方法各有側(cè)重，很難說哪個更優(yōu)于另外一個。本論文在現(xiàn)有的傳感器技術(shù)條件下，對青草背大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計，到達了對橋梁的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的目的，對目前同類型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計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實的基礎(chǔ)。
