南仓编组站斜拉桥结构健康监测系统设计
2010-05-12齐怀展吴立勇何立忠
□文/齐怀展 吴立勇 何立忠
□吴立勇/天津市滨海市政建设发展有限公司。
□何立忠/天津市市政工程研究院。
南仓编组站斜拉桥结构健康监测系统设计
□文/齐怀展 吴立勇 何立忠
针对天津南仓编组站斜拉桥大跨径异型独塔斜拉的结构特点，建立了桥梁结构健康监测系统。通过对大跨径异型独塔斜拉桥的桥址环境、结构变形、拉索索力、结构应力、动力特性等进行监测，进而进行桥梁结构状态评估。
斜拉桥；健康监测；优化布置；实时监测
由于气候、环境等自然因素的作用，使用、维护不当等人为因素以及日益增加的交通流量影响，大跨度桥梁随着桥龄的增长，结构的安全性和使用性能发生退化。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测、预警及适时维修有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。南仓编组站斜拉桥作为异型独塔斜拉桥，结构形式新颖、体系受力复杂、桥梁交通流量大，有必要建立桥梁健康监测系统。
工程概况
南仓编组站斜拉桥为独塔4索面预应力混凝土斜拉桥，采用塔梁固结形式。桥跨布置为150m+150m，每幅桥主梁采用预应力混凝土双主梁截面，两边主梁为单箱单室结构，除塔梁固结区其他部分左右幅分离，主梁顶面全宽22.425m，顶面单向1.5%横坡，梁高2.5m（标准断面），塔梁固结区加高到3.5m，梁端梁高变化到2.9m。索塔采用双人形塔，内侧塔柱在桥面以下合二为一。索塔底面高程1.7m，塔顶高程106.7m，索塔总高度为109.0m，桥面以上塔的高度84.0m。斜拉索为镀锌平行钢丝拉索，采用扇形布置，每侧主塔设21对斜拉索，全桥共计84对拉索。设计荷载等级为城-A级，双向8车道，设计车速80km/h。主桥立面图及主梁断面见图1和图2。
监测方法和设备选择
南仓编组站斜拉桥健康监测系统监测内容包括桥址环境、结构变形、索力、结构应力、结构动力特性等，测点布置见图3。
环境监测
由于桥位环境与气象站差异较大且桥址位于临海地区，受海洋气候影响，因此应在桥位处安装环境监测设备。环境监测的主要目的和作用是通过环境监测选择合适的监测时机；通过环境监测激活危险状态数据采集；通过风荷载监测把握桥址处的风荷载真实状况；利用温度监测结果修正监测的应力数值和桥梁的动力特性特征值；通过湿度和温度监测桥梁材料的耐久性状况。
结构变形监测
结构变形是结构状态改变最灵敏与最精确的反应，因此对结构变形的监测能够更为准确地把握结构恒载内力状态的改变；另外，部分的结构损伤也将导致变形情况的异常，通过对变形的监测也可识别出这些损伤来；桥面的变形与桥梁线形直接相关，通过桥梁线形的变化也可以判断桥梁的适用性。
主梁标高变化的监测采用液压连通测压管监测主梁静态线形，其工作原理见图4。
对于塔顶位移采用GPS技术进行监测。GPS采用实时差分进行动态测量的精度可达毫米级，经过系统集成和二次开发，完全可以用于大型工程结构的微观测量。
索力监测
南仓编组站斜拉桥的主梁自重及汽车荷载均由拉索承担，拉索是特别容易产生疲劳和腐蚀损伤的构件，其寿命往往比桥梁其他构件的寿命都短，但拉索是桥梁中的重要构件起着牵一发动全身的作用，因此准确及时掌握拉索的内力及变化特征至关重要。目前，可采用光纤传感器、压力环、磁通量传感器、加速度传感器等对拉索进行索力监测。
为实时监测索力变化，采用磁通量传感器实现自动数据采集或远程操控。磁通量传感器由激磁线圈和测量线圈两层线圈组成，见图5。其工作原理为磁弹仪给激磁线圈施加脉冲电压信号，激磁线圈在拉索内产生磁场强度，同时在测量线圈内产生感应电压；拉索受到荷载作用，应力产生变化，引起拉索内部的磁场强度发生变化，从而测量线圈内的感应电压也发生变化，通过磁弹仪检测出测量线圈上感应电压的微小变化，进而推算出拉索索力。
结构应力监测
结构应力是判断结构安全最直接的指标，结构亚健康状态往往将导致应力超限或应力异常重分布，所以对于应力的异常变化应给予足够的重视并结合环境、变形等其他监测结果来综合判定结构状态是否处在安全及可控的范围。
应变监测可采用的传感器包括电阻应变片、钢弦式应变传感器、光纤光栅应变传感器等。在健康监测系统中，应变监测选用光纤光栅传感器。光纤光栅传感器技术是通过对光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检验，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。而光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期和反向耦合模的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅波长的漂移[1]。光纤光栅传感器测量精度高、测试通道容量大、长期工作性能稳定、不受电磁干扰，尽管温漂大，但通过在应变测点布设的光纤温度传感器对温漂进行修正后可以基本上消除温度影响。
结构动力特性监测
结构损伤实质上是结构局部刚度、质量的损失，反映在结构动力特性上是结构模态参数，如固有频率和振型的变化。本系统利用结构动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤监测，即将结构系统的实测结构模态特性与健康结构的模态特性进行比较，判断结构是否发生损伤；进一步对有限元模型进行修正，从而可以进行多荷载和复杂环境条件下桥梁结构的系统深入计算分析并进行桥梁结构的安全评定和预警。
结语
桥梁结构健康监测技术涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、图形学和通信等多门学科，综合性强，还有许多问题需要进行研究探索，包括传感器优化布置、结构损伤评定、状态识别与安全性评估等。随传感器技术和安全评估等理论的不断完善和发展，健康监测系统必能成为桥梁安全运营、高效管理的有效手段。
[1]梁 磊，姜德生，周雪芳，等.光纤Bragg光栅传感器在桥梁工程中的应用[J].光学与光电技术，2003，1（2）：36-39.
U446.2
C
1008-3197（2010）05-41-03
2010-05-05
齐怀展/男，1981年出生，工程师，天津市市政工程研究院，从事桥梁施工监控和健康监测工作。
□吴立勇/天津市滨海市政建设发展有限公司。
□何立忠/天津市市政工程研究院。
