武漢天興洲長(zhǎng)江大橋跨中撓度監(jiān)測(cè)

唐華瑞，解 偉

（華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋跨中撓度監(jiān)測(cè)

唐華瑞，解 偉

（華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

橋梁撓度測(cè)量屬于位移測(cè)試項(xiàng)目，其結(jié)果可以用于評(píng)判橋梁的安全性。針對(duì)武漢天興洲長(zhǎng)江大橋公路橋62＃～66＃墩的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的撓度監(jiān)測(cè)，探討了封閉式連通管撓度監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的組成、監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析處理方法。

武漢；天興洲長(zhǎng)江大橋；預(yù)應(yīng)力混凝土；連續(xù)箱梁；撓度監(jiān)測(cè)

0 引言

橋梁撓度是指橋梁結(jié)構(gòu)由于變形所引起的垂直位移量，它直接反映橋梁結(jié)構(gòu)豎向的整體剛度。橋梁撓度變化與橋梁安全息息相關(guān)。根據(jù)橋梁撓度測(cè)量值，可繪出撓度變形曲線，從而判斷出橋梁各點(diǎn)變形量是否超出設(shè)計(jì)允許值。因此，橋梁撓度是橋梁安全狀況評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一［1］。

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋位于湖北省武漢市，在武漢長(zhǎng)江二橋下游10 km處，北起漢口平安鋪，南止武昌武青主干道，總長(zhǎng)度為9.3 km，其中，主橋長(zhǎng)為4 657m，主跨為504m，是世界上跨度最大的公路鐵路兩用斜拉橋。該橋上層為6車道公路，設(shè)計(jì)速度為80 km／h；下層為可并列行駛4列火車的鐵道，設(shè)計(jì)速度為200 km／h。天興洲長(zhǎng)江大橋公路橋主要采用大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并按照實(shí)施細(xì)則及專家意見，該工程選擇了跨中62＃～66＃墩間4孔（54.2m+2×80m+54.2m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)［2］。

1 撓度監(jiān)測(cè)方法選擇及測(cè)點(diǎn)布置

1.1 監(jiān)測(cè)方法選擇

天興洲公路橋62?！?6＃墩橋面長(zhǎng)為268m，坡度為1.52%，橋梁線形落差為4.07m，箱梁厚度較小，若采用開放式連通管式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所需管材豎向安裝至少6m，成本較大。另外，管材外掛在橋梁上，景觀效果也較差。因此，結(jié)合其他橋撓度監(jiān)測(cè)的成功經(jīng)驗(yàn)，該工程采用封閉式連通管式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行橋梁撓度監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 封閉式液位連通管線形監(jiān)測(cè)原理圖Fig.1 Enclosed liquid level communicating pipe linear monitoring princip le

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

封閉式連通管撓度測(cè)試系統(tǒng)由撓度傳感器-壓力變送器，連通液體、水箱以及配套的水管，電纜、信號(hào)傳輸設(shè)備與組態(tài)軟件4部分組成［3］。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用瑞士KELLER公司生產(chǎn)的PR-33X系列高精度壓力變送器，量程為5m水柱，測(cè)量精度為5%FS。水箱安裝在63＃墩橫隔墻上，尺寸為1.5m×0.6m× 0.7m（長(zhǎng)×寬×高）。按照設(shè)計(jì)，箱內(nèi)水位高度不低于50 cm。為了實(shí)時(shí)了解箱梁內(nèi)的水位變化，在水箱附近單獨(dú)安裝了壓力變送器，并將此處的測(cè)量值作為全橋的基準(zhǔn)點(diǎn)。連通管中的液體采用混合液，并進(jìn)行防凍試驗(yàn)和防沸試驗(yàn)，保證混合液在-15℃左右不結(jié)冰，在常溫下不沸騰，不易蒸發(fā)。若液體長(zhǎng)時(shí)間使用，還要具有防腐的功能。關(guān)于供電和信號(hào)傳輸，在64＃墩處設(shè)有220 V供電電源，可通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成24 V直流電源，分別供給5個(gè)壓力變送器。同時(shí)，5個(gè)壓力傳感器的信號(hào)在此處并行后，通過光纖收發(fā)設(shè)備，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并傳輸?shù)娇刂剖?，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)供電和信號(hào)連接圖如圖2所示。組態(tài)軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、修改、存儲(chǔ)、查詢、圖形化顯示、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的功能。根據(jù)信號(hào)與壓力的線性關(guān)系，將水位和信號(hào)之間建立對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。組態(tài)軟件還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢、報(bào)警功能，為人工快速檢修提供高智能的準(zhǔn)確信息［4］。

圖2 線形測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)連接圖Fig.2 Linear test system signal connection

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

天興洲公路橋全橋布置了5個(gè)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1個(gè)為補(bǔ)償點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于相鄰兩墩跨中上游的箱梁內(nèi)部。各測(cè)點(diǎn)的采集頻率為0.1H z。以準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量值代替橋梁實(shí)時(shí)測(cè)量值。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2010年3月8日～3月15日連續(xù)監(jiān)測(cè)，主要采集各測(cè)點(diǎn)的靜撓度信號(hào)，采集數(shù)據(jù)保存時(shí)間間隔為5min。各測(cè)點(diǎn)高程采用絕對(duì)標(biāo)高，用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)初始值選取3月15日05時(shí)59分的測(cè)試值，如表1所示。經(jīng)計(jì)算，各測(cè)點(diǎn)高程時(shí)程線如圖3～圖7所示。

圖3 基準(zhǔn)O截面高程時(shí)程線Fig.3 Standard O section line of elevation and time

圖4 A截面高程時(shí)程線Fig.4 A section line of elevation and time

表1 測(cè)點(diǎn)撓度初始數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement point deflection initial data

式中：Hi為各測(cè)點(diǎn)（HA、HC、HE、HG）的實(shí)測(cè)高程，m；Hi0為各測(cè)點(diǎn)的初始高程，m；Pi0為各測(cè)點(diǎn)的初始?jí)毫Σ?，m；Pit為各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓力差 （傳感器輸出數(shù)據(jù)），m；Po0為基準(zhǔn)點(diǎn)的初始?jí)毫Σ?；POt為基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓力差（傳感器輸出數(shù)據(jù)），m。

圖5 C截面高程時(shí)程線Fig.5 C section line of elevation and time

圖6 E截面高程時(shí)程線Fig.6 E section line of elevation and time

圖7 G截面高程時(shí)程線Fig.7 G section line of elevation and time

由圖3可以看出，基準(zhǔn)截面的高程基本無變化。這說明，撓度傳感器的性能穩(wěn)定可靠，基準(zhǔn)截面選擇恰當(dāng)。從圖4～圖7可知，在數(shù)據(jù)采集期內(nèi)，C截面高程變化最大，變化量約為2 cm，G截面高程變化最小，變化量約為1 cm；測(cè)點(diǎn)的高程變化與環(huán)境溫度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

雖然測(cè)點(diǎn)水溫變化小于環(huán)境溫度的變化，但水溫變化基本能反映出環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)，可以認(rèn)為兩者變化趨勢(shì)相同。另外，連通管撓度測(cè)試系統(tǒng)主要測(cè)試橋梁的靜態(tài)撓度，即橋梁受溫度作用下的撓度變化以及橋梁結(jié)構(gòu)的永久性變形。由于目前車流量較小，以溫度變化對(duì)橋梁的線形影響最大。從圖8可知，目前橋梁處于較好的線形狀態(tài)下。

圖8 不同時(shí)刻的橋梁線形Fig.8 Bridge lines of different time

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要是應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)中的靜撓度測(cè)量。動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)還需要進(jìn)行深入研究。同時(shí)，使用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過通訊接口輸入到系統(tǒng)進(jìn)行處理是今后研究的方向。因此，如何解決大型橋梁的動(dòng)撓度測(cè)量，如何實(shí)現(xiàn)橋梁的自動(dòng)化測(cè)量，也是一個(gè)新的研究方向［5］。

［1]李成躍.大跨徑拱橋撓度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

［2]秦順全.武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.工程力學(xué)，2008，25（增刊II）：99-105.

［3]王磊.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)中撓度測(cè)量技術(shù)研究［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［4]楊建春，陳偉民.連通管式光電液位傳感器在橋梁撓度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（8）：79-81.

［5]文雪中.大型橋梁撓度監(jiān)測(cè)的方法比較及實(shí)踐［J］.測(cè)繪地理信息，2016，41（5）：70-73.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

U446.3

B

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.008

2016-10-23

唐華瑞（1984-），女，河南滎陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭?/p>