波纹钢腹板连续梁桥监测方案研究

谢 巍

(安徽省七星工程测试有限公司,安徽 合肥 230088)

G105线南照淮河公路大桥位于105国道968K+909处,是105国道跨越淮河的一座重要桥梁,主跨为65m+98m+65m单箱双室波纹钢腹板连续梁桥,桥面全宽20.5m,全桥总长2328m。

1 系统需求及整体框架

桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性,主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等,以满足预定的功能要求。桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估,并作出相应的工程决策,实施保养、维修与加固工作。针对上述特点,我们拟在南照淮河公路大桥建立一个长期的在线监测预警系统,对主桥主梁的应变、温度、挠度和振动,以及桥面状况、车载对桥影响进行跟踪监测,并根据传感器数据和视讯观测及时预警。

2 系统构建方案

2.1 传感器子系统

围绕上述分析获得的健康监测基本内容,依据系统设计的基本原则,在满足可靠性、可维护性、可扩展性、经济性等要求的基础上,合理选择传感器建立传感器子系统。

2.1.1 应力及结构温度监测

主桥上部结构,应力测点主要布置在主跨的1/2截面、主墩墩顶、边跨1/2截面、腹板剪应力截面(中跨距墩顶14m处),全桥共布置6个应力测试截面。墩顶截面测点布置在箱内顶板每个箱室两个测点单个截面4个测点；跨中截面测点布置在每个箱室内顶板与底板各2个测点单个截面8个测点；剪应力截面测点布置为每个箱室内顶板与底板各1个测点,每个腹板中部布置1个应变花,单个截面共4个应变测点3个应变花。采用光纤光栅应变传感器进行布设。

温度对钢-混组合结构材料温度性能的差异及其结构形式本身造成温度影响相较钢结构与混凝土结构更为巨大,结构温度监测测点布置同应力测点布置,温度传感器可根据需要与应变传感器进行功能耦合或单独布置。

2.1.2 挠度监测

桥梁恒载作用下箱梁的轴线和桥塔位置是桥梁整体安全状态的重要标志。活载作用下主梁的挠度是评价主桥使用功能和安全性的重要指标之一是桥梁整体刚度的重要标志。通过对桥梁基础沉降变形监测和箱梁挠度的监测河以从整体上把握桥梁运营安全状态。本桥拟设置4个测试截面,以主桥伸缩缝位置截面为0号基准截面,1、2、3号分别为主桥各跨跨中处,每个截面在箱室内横桥向布置2个压差计。同一个截面的压差计通过计算,换算出桥面的倾斜和变形量值。

2.1.3 伸缩缝纵向位移监测

主桥分别测试两端伸缩缝纵向位移,每道伸缩缝对称布置2个顶杆式传感器,主布置4个顶杆式传感器。

2.1.4 环境监测

主桥横跨淮河,桥址处环境情况复杂变异性大,风荷载与温度荷载对自重较轻的钢混组合结构来说是不可忽略的。本桥拟采用气象数据采集仪对桥址大气温度、湿度、风力、风向等环境指标进行监测。

2.1.5 体外预应力监测

体外索是本桥结构的关键受力部位,拟在主桥选择一根体外索进行应力监测,结合施工监控测点布置,体外预应力长期监测采用压力环。

2.1.6 主墩倾斜度监测

考虑到主桥桥墩的实际情况,选择主桥9#桥墩采用倾斜仪对桥墩倾斜度进行监测。

2.2 电子化监测子系统

桥梁的结构健康与车辆荷载的大小直接相关,重车经过必然伴随着巨大的变形和扭转,为了后期数据分析的针对性,拟在桥上布设视频监控系统,以掌握重车经过的时间和频度。

2.3 传感器数据采集与传输子系统

光纤光栅信号处理系统是本监测系统中的核心设备,也是光学探测的数据转换部件。光接口模块根据工程可以灵活配置通道数量。

2.4 数据处理与管理子系统

数据管理与控制子系统由硬件及软件两个组成部分。硬件由1台计算机数据服务器和计算机工作站组成。可根据不同监测参数的特点,采用不同的的采集方式。

2.5 评估系统

综合评估系统的功能将通过软件实现,并结合硬件系统的特性进行更新和调试。软件系统应集数据采集、数据预处理、数据处理、桥梁健康预报与诊断和多用户服务系统于一体。

2.5.1 监测系统预警模块

本监测预警系统根据不同的物理量设置不同的预警阈值,采用二级预警机制：初级预警,二级预警。

(1)初级预警(局部预警)。在各个传感器工作站设有参数超值报警功能。当单一传感器的输出超出警戒线后立即进行超值预警判断并向系统监控总站发出数据优先传输和处理申请。系统监控总站进入系统的预警处理程序进行进一步的处理。

(2)二级预警(结构预警)。在一段时间间隔内有两个或者两个以上的监控截面发出初级预警警报,二级预警程序启动。二级预警根据传感器的类型、截面类型、以及所在的结构状况作出二级预警判断和预报。

(3)预警值设定。预警值设定一般分为红、黄两级,以设计值及出现频次为控制依据,例如当位移或变形大于0.8倍设计值时,进行黄色预警；大于设计值或一个月内发现10次以上黄色预警时,进行红色预警。

2.5.2 监测系统评估模块

(1)桥梁结构校验系数小于1时,判定结构处于正常状态；否则,判定结构状态异常。

(2)利用监测的环境、车辆荷载及结构响应,计算结构整体内力和线形,与设计值进行对比,满足桥梁设计规范要求,判定结构处于正常状态,否则为异常。

(3)监测获取的桥梁结构自振频率与设计理论计算频率的比值大于或等于1,判定结构处于正常状态,否则为异常。

(4)当上述任何一项判定为异常时,应立即对桥梁进行专项评估及相应处理。

3 结论

本文以G105线南照淮河公路大桥为依托,针对波纹钢腹板连续梁桥受力特点及监测需求,对其监测系统的设计方案、预警及评估方式及相关注意事项进行了详细地分析与阐述,为类似桥梁的健康监测系统设计与开发提供参考。