基于结构响应健康检测技术在芜湖长江大桥状态评估中的应用

王金山 南京铁道职业技术学院

刘继琛 中国铁路上海局集团有限公司南京桥工段

1 概述

芜湖长江大桥是国家“九五”重点交通建设项目，也是我国在长江上建造的第一座公铁两用斜拉桥，于1997年3月22日正式开工，2000年9月建成通车。其中正桥共5联14孔，位于0#墩～14#墩之间，其中主航道桥为跨径（180+312+180）m的矮塔斜拉桥，2017年9月上海铁路局和中铁大桥院联合开发的基于结构响应的桥梁健康检测系统首次运用于芜湖长江大桥（见图1）。本文通过对芜湖长江大桥各结构关键位置处限值进行分析计算，结合健康检测系统的实测数据进行比较，运用结构响应的理念对芜湖长江大桥结构状态进行评估，力求探索针对跨江级长大桥梁进行科学养桥的新举措。

图1 淮南线芜湖长江大桥实桥示意图

2 桥梁检测系统概述

桥梁的长期监测系统是由传感器系统、信息采集系统、信息处理系统、评估系统、信息显示及后处理系统组成，它通过对结构长期、连续、定期或实时的监测，并通过对监测信息的收集和分析处理，对结构的安全性进行评估以及对结构运营中出现的故障进行预警和报警。

芜湖长江大桥检测系统按功能层次分为5个子系统：自动化数据采集监测子系统、人工巡检养护管理子系统、综合预警安全评估子系统、数据库管理子系统、用户界面子系统，如图2所示。

图2 芜湖长江大桥结构健康监测系统功能总框架图

运营监测系统由以上五个子系统组成，其中自动化监测子系统、交通监测子系统用于荷载源、结构响应数据、现场信息的采集，并将获取的数据作一定预处理后，统一存储在数据存储与管理子系统中，然后使用软件中计算工具进行相应的统计分析，结合各特征参数设定的安全限值实现系统的综合报警和状态评估功能，并由用户界面子系统完成人机交互工作（包括监测结果、评估结论的图表显示，人工信息的录入，指令的输入等）。

3 健康监测数据分析

空间有限元模型采用 MIDAS建立，由于芜湖长江大桥属于矮塔斜拉桥，部分构件尺寸不同于常规结构。芜湖长江大桥公路桥面采用 4节点板单元建立，主梁和主塔采用两单元建立，拉索采用桁架单元。其他无结构功能的附属部分，如沥青铺装层、公路人行道及枕木和路轨等均转化为集中质量附加在节点上，其空间有限元模型如图3所示。

图3 芜湖长江大桥空间有限元模型

3.1 成桥预拱度

采用芜湖长江大桥恒载+1/2活载计算桥梁的预拱度值，其计算结果如图4所示。

图4 芜湖长江大桥预拱度图/m

3.2 温度作用

芜湖长江大桥结构温度荷载采用系统温度整体升温、降温 25℃时的结构各种响应值，其主梁线形在升高和降低25℃时变形如图5、图6所示。

图5 升温结构变形图

图6 降温结构变形图

3.3 铁路荷载

铁路荷载采用中活载设计，由于铁路部分荷载对结构影响较大，其双线铁路偏载及满载作用下结构变形图如图7、图8所示。

图7 双线铁路偏载结构变形图

图8 双线铁路满载结构变形图

4 芜湖长江大桥健康监测系统检测限值设定

为满足大跨桥梁运营养护管理要求，保证桥面行车的安全顺畅，及时报告桥梁异常状态设定大桥各个测点结构响应指标，通过各个指标的变化来判断大桥的运行状态。通过设置大桥结构关键位置限值来对测点结构响应指标进行判定，如果限值取值太大，系统起不到报警作用；限值取值太小，系统很可能会产生误报。因此，准确的设定限值是实现精准报警的关键所在。

目前，常用的限值设定方法基本分为以下三类：

（1）通过有限元建模对结构极限状态进行分析，组合最不利工况，计算得到各个测点指标的上、下包络最为参考依据设定指标限值。

（2）通过健康监测历史统计信息得出各个测点数据长期的统计规律，在掌握结构响应数据时程规律的前提下设定指标限值。

（3）结合有限元软件计算及健康监测数据统计规律设定指标限值。

目前，报警线的设置标准为桥梁极限荷载作用下的包络值，为了防止健康监测系统在部分突发状态下响应不及时，从而在结构报警值前设定指标的警戒值。警戒值的大小取为正常运营极限值的75%，此时的安全系数为1/0.75=1.33，预留了部分空间以判断是否需要对结构构件的运营状态监测结果进行详细的健康评估。香港的桥梁健康监测系统此前这一数值为0.6，根据长期监测系统的实际操作经验修改为现在的0.75，这一数值也被美国公路运输协会（AASHTO）采纳入桥梁分类办法等规范中。

按照上述原则的三级限值（两线三状态）示意图如图9所示，“两线”是指预警线和报警线，“三状态”是指正常监测状态、预警状态和报警状态。

图9 健康监测系统限值的三级限值示意图

4.1 结构变形指标限值

在大跨度斜拉桥的诸多参数中，位移和形变是极为重要的参数，它是结构受力状态的宏观反映。桥梁的线形在不同因素的激励和影响下会发生变化，通过实时监测桥梁的关键点位移，可以了解桥梁的线形状况和变形规律。变形监测数据在系统建设完工之后需要对监测数据进行初始化，以成桥状态为基准状态，此时主梁挠度、支座位移和主塔倾斜均设置为0点，监测其运营阶段变形的变化值，因此，取车辆活载、温度作用及风荷载的最不利组合结果作为初始预警限值设置依据。芜湖长江大桥主跨跨中设计挠跨比为1/508，边跨跨中设计挠跨比为 1/700。规范参考值依据《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-99）第5.1.2条及《铁路桥隧建筑物修理规则》[2010]38号第2.4.1条设置（见表1）。

表1 变形计算限值/mm

4.2 索力限值

斜拉桥索力状态是衡量大桥是否处于正常运行状态的一个重要标志。通过对索力的监测，不仅能为从总体上评估大桥的安全性和耐久性提供依据，同时也能在一定程度上反应防护系统是否完好，钢丝是否锈蚀等。索力限值的确定主要依据《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01-2007）第3.4.1条通过索力及斜拉索振动斜拉索长度质量关系并进行简化计算来确定。具体计算公式为：

索力限值T=4mlf/n;

其中m为斜拉索每延米的质量，l为斜拉索的长度，f为索的振动频率，n为振动阶数。

每根斜拉索限值如表2所示。

表2 斜拉索索力限值设定/kN

4.3 竖向振动限值

应变监测内容主要为主梁钢结构应变，应变根据荷载最不利组合内力结果计算。由于桥面板与钢横梁应变难以准确计算，且主要受车辆荷载影响，因此参考成桥荷载试验结果拟定。塔柱的水平向应力难以计算，对于这类测点的应力限值，需在测点采集到足够的数据后根据统计方法确定（见表3）。

表3 主梁竖向振动加速度限值表/(mm/s2)

5 监测数据汇总分析

5.1 结构变形分析

全桥挠度测点分布在六个主要横截面，分别是两侧边跨跨中、两主塔位置及中跨跨中，分别布置在上、下游下弦杆上部。取每天天窗时间 00∶00∶00-01∶00∶00 时段均值作为挠度数据代表值，如表4所示。

表4 挠度测点数据代表值/mm

5.2 拉索索力分析

芜湖长江大桥拉索加速度测点主要分布在4个截面，上、下游对称布置本桥的索力监测采用索力动测仪，通过频率识别法简接测量索力。频率法具有良好的动态性和可实施性，对桥梁结构产生的影响小，也是应用较为广泛的一种方法。拉索索力监测数据如表5所示。

表5 索力特征值统计表/kN

5.3 振动监测数据分析

芜湖长江大桥振动传感器主要分布在5个截面，分别为9#、12#墩及主跨1/4截面，1/2截面，3/4截面竖向振动分析。

芜湖长江大桥健康监测系统振动响应采样频率为100 Hz，滤波器采用巴特沃斯低通滤波器，阻带截止频率20 Hz。加速度峰值最大值为209.67 mm/s2，发生在主跨跨中上行位置。竖向振动加速度量值在正常范围内，无异常情况发生（见表6）。

表6加速度响应特征值表/（mm/s2）

对比各项实测代表值与上一节提到的各个限值，发现实测值均在限值包络图之内，由此可证明结构各项指标均正常无损伤现象。

6 结束语

本文给出了桥梁健康监测系统限值的概念及确定方法，采用有限元方法对结构进行了分析；并针对本桥健康监测系统的测点布置，给出了每个测点的监测限值，为健康监测系统的实时监测、离线评估等工作提供了依据。主要结论如下：

（1）本文主要用传感器和相关工具去观察芜湖长江大桥主要结构构件在正常使用 荷载组合下的位移和应力分布的实测数据，实测数据显示各检测项目监测值均在限值范围之内，由此证明芜湖大桥无结构损伤现象。

（2）运用有限元模型以及参考大桥院提供的相关数据，对芜湖长江大桥各项结构检测项目限值进行了初步设定。有助于实时监控有的比较，实现了健康检测的可控性。

（3）本文进行了包括力学作用及温度作用下的结构响应分析，以及包括基本动力特性分析；参考了铁科院荣振环先生在芜湖大桥长期监控疲劳损伤研究中的部分结论并且引用了同济大学许俊在斜拉桥索力计算的方法。尽管如此，上述限值计算只能作为健康监测系统的一个初步设定值，在后续的长期监测过程中应在大量数据分析的基础上评估初步设定限值的合理性。