鄂东长江公路大桥运营期结构监测与分析

2016-11-15彭晓彬

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：鄂东主梁挠度

彭晓彬

（湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430051）

鄂东长江公路大桥运营期结构监测与分析

彭晓彬

（湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430051）

超大跨度斜拉桥在运营服役期间，由于受到活载、风载、温度、地震和船撞等外部因素以及材料性能变化、施工偏差及疲劳效应等内部因素的影响，其结构特性和耐久性能可能与设计阶段理想状态发生较大偏差，极端情况下可能出现突如其来的功能丧失。因此有必要利用桥梁健康监测数据对结构的使用性能和安全性进行评估和确认。以鄂东长江公路大桥为例，简要介绍其健康监测系统、运营期力学监测数据及安全性分析，可供同类桥梁结构设计及监测参考。

超大跨度；斜拉桥；结构监测；结构设计；安全性

0　引言

以悬索桥和斜拉桥为代表的特大桥梁，作为重要结构物在运营服役期间，要求时刻确保所要求的结构性能和良好的耐久性能。然而由于受到活载、风载、温度、地震和船撞等外部因素以及材料性能变化、施工偏差及疲劳效应等内部因素的影响，其实际运营过程中的结构特性和耐久性能可能与设计阶段理想状态发生较大偏差，极端情况下可能出现突如其来的功能丧失。为了能够保证结构具有所要求的功能和特性，应建立桥梁健康监测系统实时、定期监测桥梁结构的工作性能，定时、定量地评价桥梁的健康状态，以保证大桥的安全运营［1］。

目前国内外在桥梁健康监测系统方面做了很多工作，也提出了很多理论和体系研究，但由于对实际结构性能的使用性能和安全性评价涉及到结构初始状态、极限状态等多方面的因素，因此要完全依靠健康监测系统对结构性能进行定量分析，并最终给出定性结论，还有很长的道路要走。

本文依托已建成通车的鄂东长江公路大桥工程，尝试利用自动监测和已采集的定量数据对该工程运营期使用性能和安全性进行初步评估，期翼为同类桥梁结构设计及监测起参考和借鉴的作用。

1　工程背景

鄂东长江公路大桥是沪渝高速公路湖北省东段和大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道，桥址位于黄石长江公路大桥上游约1.3 km处。主桥为九跨连续半漂浮双塔混合梁斜拉桥，长1476m，跨径布置为3×67.5m+72.5m+926m+72.5 m+ 3×67.5 m（见图1），边跨设置3个辅助墩和1个过渡墩。主梁中跨采用PK断面钢箱梁，边跨采用相同形式的PK预应力混凝土箱梁，钢—混凝土结合面位于主跨侧，距主塔中心线12.5 m。箱梁梁高3.8 m、梁宽38.0 m。斜拉索采用平行钢丝斜拉索，中跨标准索距15 m，边跨标准索距7.5 m；主塔采用“凤翎”式钢筋混凝土结构，北塔高242.5 m，南塔高236.5 m［2］。主跨钢混结合梁段采用整体节段吊装，其余梁段采用悬臂拼装施工；边跨混凝土梁采用支架现浇施工。

为随时掌握桥梁结构从施工到运营整个生命期的内力状态及损伤情况，在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警，对结构调整、养护、维护及维修等行为进行辅助决策，尽量延长桥梁结构的运营寿命，降低桥梁总体运营成本，建立了鄂东长江公路大桥结构健康监测系统。监测系统核心部分主要分为数据采集及巡检管理、结构识别评估、结构安全信息数据库、结构安全控制辅助决策等5大子系统，见图2。

图2　结构健康安全监测及综合管理系统集成框架图

该系统实质上是根据对结构力学行为的系统研究，通过对结构响应测试信息和巡检信息的深加工来准确把握和评估结构的安全状态，在此基础上指导结构的管理和养护。在这一系统中，数据采集和人工巡检是基础，结构安全信息的获取是关键，二者相辅相成，缺一不可。其中数据采集是为了获取结构力学指标的监测结果；人工巡检主要是针对大桥管养人员可以到达的结构部位，编制巡检养护手册，检查和记录结构构件的表面损伤、缺陷和病害等。

鄂东长江公路大桥的监测指标主要包括重要的环境参数（风力/风向、环境温度）、关键部位的变形状况（塔顶变位、主梁挠度等）、关键控制截面的应变、关键点的振动监控（桥梁固有特性、桥塔撞击监控、振动响应监控）、索结构的监控（拉索索力）等。系统监测布点见图3。

大桥结构安全综合管理系统于2011年4月份所有监测项调试完毕，正式存储完整历史数据并处理入库。为了对结构的使用性能和安全性有较深入的了解，现提取2011年5月份主梁变形、主梁应力和斜拉索索力等监测历史数据进行归纳整理，见表1。

表1　鄂东大桥SHMS安装的传感器类型以及数量（来自收到的资料）

2　主梁挠度监测与分析

系统中安装有主梁挠度传感器60个，其中上游安装38个，下游安装22个，安装位置为钢箱梁侧面腹板处，混凝土梁为靠近侧面腹板的横隔板处，图4为所使用的挠度传感器。

图3　鄂东大桥结构健康监测系统传感器布置图

主梁挠度监测中最重要的监测数据为主梁跨中挠度变化情况，在主梁合龙段处，由于管路交替需要，安装有两组挠度测点，根据位置情况分别定义为南和北，均位于合龙段梁内。从图5所示主跨跨中挠度曲线上可以看出，南北两组传感器测试结果变化趋势基本一致，符合监测预期（数据单位为mm，负值表示下挠）；上游数据和下游数据重合性较好，说明主梁没有明显的扭转情况发生；通过与梁外温度变化曲线进行对比，发现两者趋势相反，说明主梁挠度主要受外界温度变化因素影响，温度升高，拉索伸长，主梁下挠。

图4　挠度传感器（液压传感器）

图6为删除异常测点后的主梁挠度变化图。由图6可知，主梁南北方向变化趋势基本对称，且测点最大挠度变化也符合主梁整体变化规律（越靠近索塔，挠度变化越小）；从该月份数据显示，中跨合龙段主梁挠度最大为310 mm，远小于设计给出的挠度参照预警值。

3　斜拉索索力监测与分析

对于大跨度斜拉桥来说，主梁几何形态（通过主梁挠度监测项进行监测）和斜拉索索力是最为重要的两个监测内容。在索力的监测中，对总共240根斜拉索中的140根都安装了索力传感器，传感器布置在索塔一侧的锚固部位。南北索塔各安装70个，靠近索塔的前5对斜拉索，全部安装了索力传感器，从第6对开始到第30对，索力传感器分上下游交叉安装。使用的传感器为穿心式锚索计。图7是根据所收到的索力监测数据整理得到的斜拉索索力分布以及最大索力和最小索力的差值分布。

图5　主梁跨中挠度及温度变化情况

图6　主梁挠度变化图

如图7所示，北塔主跨9号索、南塔主跨16号索、南塔边跨9号索的斜拉索索力与设计索力相比产生了很大差异，应该重新检查初始索力的数据。整体监测数据表明，全桥斜拉索索力的变动幅度均不大，且都在拉索索力的容许范围之内。

4　钢箱梁应力监测与分析

钢箱梁中共设置了40个钢应变传感器，分5个断面，每个断面分别设置8个传感器。5个断面分别为南江侧1号梁段、南江侧15号梁段、合龙段梁、北江侧15号梁段、北江侧1号梁段。每个断面测点布设方式一致，贴片位置为钢箱梁顶板和底板上，图8为钢传感器和传感器布置示意图。

由图9可知，越是靠近索塔的位置，顶板的压应力越大。而底板的应力中南北两侧的15号梁段（断面2和断面4）的压应力较大。在中间合拢段上（断面3），仅在顶板上出现了拉应力，说明该截面受到了上凸的弯矩作用。从该月份数据显示，钢箱梁最大应力为103.8 MPa，远小于钢箱梁的容许应力值。

5　混凝土箱梁应力监测与分析

混凝土箱梁中共安装有混凝土应变传感器72个，分为8个断面，每个断面布置9个传感器（其中测点8个，补偿1个），8个断面分别为南岸侧H梁第1隔舱、南岸侧H梁第6隔舱，南岸侧K梁第6隔舱，南岸侧K梁第1隔舱，北岸侧K梁第1隔舱，北岸侧K梁第6隔舱，北岸侧H梁第6隔舱，北岸侧H梁第1隔舱，按照需要命名为混凝土1-混凝土8，每个断面布设方式一致，传感器安装示意见图10，测点贴片位置为所示位置混凝土上，每个断面测点编号从1到8，其中顶板为1到4为上游，底板为5到8。