武汉天兴洲长江大桥跨中挠度监测

2017-02-14唐华瑞

黄河水利职业技术学院学报 2017年1期

关键词：长江大桥挠度箱梁

唐华瑞，解伟

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045）

武汉天兴洲长江大桥跨中挠度监测

唐华瑞，解伟

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045）

桥梁挠度测量属于位移测试项目，其结果可以用于评判桥梁的安全性。针对武汉天兴洲长江大桥公路桥62＃～66＃墩的预应力混凝土连续箱梁的挠度监测，探讨了封闭式连通管挠度监测测试系统的组成、监测方法及数据分析处理方法。

武汉；天兴洲长江大桥；预应力混凝土；连续箱梁；挠度监测

0 引言

桥梁挠度是指桥梁结构由于变形所引起的垂直位移量，它直接反映桥梁结构竖向的整体刚度。桥梁挠度变化与桥梁安全息息相关。根据桥梁挠度测量值，可绘出挠度变形曲线，从而判断出桥梁各点变形量是否超出设计允许值。因此，桥梁挠度是桥梁安全状况评价的重要参数之一［1］。

武汉天兴洲长江大桥位于湖北省武汉市，在武汉长江二桥下游10 km处，北起汉口平安铺，南止武昌武青主干道，总长度为9.3 km，其中，主桥长为4 657m，主跨为504m，是世界上跨度最大的公路铁路两用斜拉桥。该桥上层为6车道公路，设计速度为80 km／h；下层为可并列行驶4列火车的铁道，设计速度为200 km／h。天兴洲长江大桥公路桥主要采用大跨径预应力混凝土连续箱梁和预应力混凝土简支箱梁。考虑到桥梁结构的受力特点，并按照实施细则及专家意见，该工程选择了跨中62＃～66＃墩间4孔（54.2m+2×80m+54.2m）预应力混凝土连续箱梁进行挠度监测［2］。

1 挠度监测方法选择及测点布置

1.1 监测方法选择

天兴洲公路桥62＃～66＃墩桥面长为268m，坡度为1.52%，桥梁线形落差为4.07m，箱梁厚度较小，若采用开放式连通管式挠度监测系统，所需管材竖向安装至少6m，成本较大。另外，管材外挂在桥梁上，景观效果也较差。因此，结合其他桥挠度监测的成功经验，该工程采用封闭式连通管式监测系统进行桥梁挠度监测，其监测原理如图1所示。

图1 封闭式液位连通管线形监测原理图Fig.1 Enclosed liquid level communicating pipe linear monitoring princip le

1.2 监测系统的组成

封闭式连通管挠度测试系统由挠度传感器-压力变送器，连通液体、水箱以及配套的水管，电缆、信号传输设备与组态软件4部分组成［3］。监测系统采用瑞士KELLER公司生产的PR-33X系列高精度压力变送器，量程为5m水柱，测量精度为5%FS。水箱安装在63＃墩横隔墙上，尺寸为1.5m×0.6m× 0.7m（长×宽×高）。按照设计，箱内水位高度不低于50 cm。为了实时了解箱梁内的水位变化，在水箱附近单独安装了压力变送器，并将此处的测量值作为全桥的基准点。连通管中的液体采用混合液，并进行防冻试验和防沸试验，保证混合液在-15℃左右不结冰，在常温下不沸腾，不易蒸发。若液体长时间使用，还要具有防腐的功能。关于供电和信号传输，在64＃墩处设有220 V供电电源，可通过开关电源转换成24 V直流电源，分别供给5个压力变送器。同时，5个压力传感器的信号在此处并行后，通过光纤收发设备，将电信号转换成光信号，并传输到控制室，再转换成电信号，输入计算机，进行数据采集和处理。系统供电和信号连接图如图2所示。组态软件可实现数据的处理、修改、存储、查询、图形化显示、网络发布等远程操控系统的功能。根据信号与压力的线性关系，将水位和信号之间建立对应的线性关系。组态软件还可实现系统的自检、报警功能，为人工快速检修提供高智能的准确信息［4］。

图2 线形测试系统信号连接图Fig.2 Linear test system signal connection

1.3 测点布置

天兴洲公路桥全桥布置了5个挠度监测点，其中1个为补偿点。根据设计图纸，4个测点分别位于相邻两墩跨中上游的箱梁内部。各测点的采集频率为0.1H z。以准静态测量值代替桥梁实时测量值。

2 监测数据分析

监测系统于2010年3月8日～3月15日连续监测，主要采集各测点的静挠度信号，采集数据保存时间间隔为5min。各测点高程采用绝对标高，用公式（1）进行计算。计算时初始值选取3月15日05时59分的测试值，如表1所示。经计算，各测点高程时程线如图3～图7所示。

图3 基准O截面高程时程线Fig.3 Standard O section line of elevation and time

图4 A截面高程时程线Fig.4 A section line of elevation and time

表1 测点挠度初始数据Tab.1 Measurement point deflection initial data

式中：Hi为各测点（HA、HC、HE、HG）的实测高程，m；Hi0为各测点的初始高程，m；Pi0为各测点的初始压力差，m；Pit为各测点的实测压力差（传感器输出数据），m；Po0为基准点的初始压力差；POt为基准点的实测压力差（传感器输出数据），m。

图5 C截面高程时程线Fig.5 C section line of elevation and time

图6 E截面高程时程线Fig.6 E section line of elevation and time

图7 G截面高程时程线Fig.7 G section line of elevation and time

由图3可以看出，基准截面的高程基本无变化。这说明，挠度传感器的性能稳定可靠，基准截面选择恰当。从图4～图7可知，在数据采集期内，C截面高程变化最大，变化量约为2 cm，G截面高程变化最小，变化量约为1 cm；测点的高程变化与环境温度变化呈负相关关系。

虽然测点水温变化小于环境温度的变化，但水温变化基本能反映出环境温度的变化趋势，可以认为两者变化趋势相同。另外，连通管挠度测试系统主要测试桥梁的静态挠度，即桥梁受温度作用下的挠度变化以及桥梁结构的永久性变形。由于目前车流量较小，以温度变化对桥梁的线形影响最大。从图8可知，目前桥梁处于较好的线形状态下。