獨(dú)塔雙索面斜拉橋健康監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

于明策，韓冰玉，鄧小軍

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206)

由于交通量和行車(chē)速度飛速提升，大型橋梁在營(yíng)運(yùn)初期的健康監(jiān)測(cè)成為不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的物理與力學(xué)狀態(tài)，還能對(duì)橋梁所處環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因而橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)與管理維護(hù)具有重要意義。

在實(shí)際工程中，由于健康監(jiān)測(cè)往往涉及到施工過(guò)程中的預(yù)埋元件，施工監(jiān)控方案不同會(huì)導(dǎo)致預(yù)埋元件的位置、規(guī)格和數(shù)量不同，因此，在施工監(jiān)控過(guò)程中往往就要考慮健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，筆者以某跨北疆鐵路斜拉橋?yàn)槔?，以施工監(jiān)控階段為基礎(chǔ)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與分析。

1 項(xiàng)目概況

某跨北疆鐵路斜拉橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面形式，主橋跨徑為89.92+89.92 m，全長(zhǎng)179.84 m。主橋平面位于直線上，立面位于0.42%的上坡上。結(jié)構(gòu)形式采用塔梁墩固接的剛構(gòu)體系，橋?qū)?0 m，主梁采用肋板式斷面，塔柱采用空心矩形截面，斜拉索采用扇形布置，共40根。橋面以上塔高41.709 m，為A型橋塔。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測(cè)等級(jí)

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的規(guī)模和重要性等情況，本橋?yàn)榇罂缍戎匾獦蛄海浣】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)等級(jí)為一級(jí)，需滿足以下要求：其一，監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)該全面；其二，檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)論硬件還是軟件均需達(dá)到先進(jìn)水平；其三，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、集成化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化程度都要高。

2.2 監(jiān)測(cè)組成

本橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)所組成：傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、仿真分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和綜合評(píng)估決策系統(tǒng)，其工作流程如圖1所示。

圖1 橋梁健康監(jiān)側(cè)評(píng)估系統(tǒng)

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)近十年來(lái)我國(guó)斜拉橋先進(jìn)的養(yǎng)管檢測(cè)技術(shù)成果及經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)本橋結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)，綜合考慮后認(rèn)為，利用施工監(jiān)控過(guò)程中所埋設(shè)的原件及檢測(cè)設(shè)備對(duì)該橋進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，做到既經(jīng)濟(jì)可靠又簡(jiǎn)單可行，并能夠滿足健康監(jiān)測(cè)的要求和精度。

3.1 斜拉索索力監(jiān)測(cè)

本橋擬采用多通道頻譜動(dòng)測(cè)法與壓力環(huán)(穿心式傳感器)實(shí)時(shí)測(cè)定相結(jié)合的方法進(jìn)行索力的監(jiān)測(cè)。在施工監(jiān)控過(guò)程中，已在西南3#、東南4#以及西北5#和6#四根不同長(zhǎng)度的斜拉索下預(yù)埋四個(gè)壓力環(huán)，如圖2所示，以便于將兩中測(cè)試方法的結(jié)果加以對(duì)比，為全橋范圍的索力動(dòng)測(cè)提供修正和技術(shù)支持，同時(shí)也可索力的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)積累原始數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于其他未安裝壓力環(huán)的拉索，則可通過(guò)人工定期測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 斜拉索索力測(cè)點(diǎn)布置示意

3.2 主梁、塔柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以測(cè)得結(jié)構(gòu)在活載、溫度等作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和疲勞損傷壽命評(píng)估以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。同時(shí)還可通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化，判斷結(jié)構(gòu)是否有損壞或存在潛在損壞的狀態(tài)。

(1)主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)

健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)力傳感器使用施工監(jiān)控過(guò)程中已布設(shè)的傳感器，直接納入健康監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)主塔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

主塔應(yīng)力測(cè)試充分利用施工監(jiān)控已經(jīng)布置傳感器的斷面，即在上塔柱距離橋面約兩米的位置，應(yīng)力測(cè)試斷面布置12個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，并納入健康監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.3 結(jié)構(gòu)溫度分布狀態(tài)監(jiān)測(cè)

溫度變化，特別是日照溫差的變化，對(duì)于矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響是復(fù)雜的。通過(guò)對(duì)橋梁溫度場(chǎng)分布狀況的監(jiān)測(cè)，可為橋梁設(shè)計(jì)中溫度影響的計(jì)算分析提供原始數(shù)據(jù)。主梁和塔柱的溫度測(cè)試斷面一般與應(yīng)力測(cè)量斷面相同，且部分測(cè)點(diǎn)位置溫度傳感器可與應(yīng)變傳感器共用。其分布與3.2相同。

3.4 塔柱變形監(jiān)測(cè)

塔柱變形監(jiān)測(cè)主要為橫橋向、縱橋向和沉降。本橋在上塔柱頂布置一個(gè)棱鏡測(cè)點(diǎn)，通過(guò)建立三角控制網(wǎng)，采用全站儀定期觀測(cè)橋塔變位。

3.5 主梁撓度監(jiān)測(cè)

撓度是反映橋梁的一維垂向變形，該橋主梁撓度監(jiān)測(cè)采用定期檢測(cè)的方式，通過(guò)應(yīng)用水準(zhǔn)儀對(duì)橋梁建立的永久測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期檢測(cè)、記錄、對(duì)比與分析，來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性。

永久測(cè)點(diǎn)沿橫橋向共布置三道測(cè)線，分別位于兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)側(cè)及橋面中心位置?？v橋向設(shè)置于左右跨跨中、四分點(diǎn)及支點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)主梁永久變形測(cè)點(diǎn)，采用植入鋼錨釘?shù)姆椒ú荚O(shè)。

4 具體線路布設(shè)及通道分布說(shuō)明

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了有效利用施工監(jiān)控階段布置的傳感器，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握橋梁變形和受力狀況，采用自動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)控制斷面?zhèn)鞲衅鞯膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)GPRS無(wú)線系統(tǒng)，采用CMNET傳輸方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制計(jì)算機(jī)。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成及布置如圖3所示，主要儀器設(shè)備及主要配件如表1所示。

圖3 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置示意

表1 機(jī)箱及通道線分布

4.2 系統(tǒng)線路布置方案

為了便于將所有斷面?zhèn)鞲衅饔行нB接在一起，總線采集機(jī)箱設(shè)置于主塔位置，機(jī)箱共64個(gè)通道。通道分布和連接線纜長(zhǎng)度如表2所示。

表2 通道分布及接線長(zhǎng)度

4.3 導(dǎo)線線路布設(shè)及套管類型

根據(jù)表2的導(dǎo)線分組布設(shè)方案，將同一組的導(dǎo)線放置在同一套管內(nèi)，均沿護(hù)欄內(nèi)側(cè)導(dǎo)引至機(jī)箱位置。套管分為兩種，應(yīng)力線主要采用的是D55(直徑55 mm)的PVC材料的線管，每根長(zhǎng)4 m。另一種套管是D35的PVC細(xì)管，用來(lái)盛放錨索計(jì)線，線路總長(zhǎng)120 m。三通及彎鉤數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

5 結(jié) 論

(1)本健康監(jiān)測(cè)方案，以施工預(yù)埋傳感器和監(jiān)控測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合定期測(cè)試的方法，對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行定期評(píng)估，自動(dòng)化程度高，費(fèi)用低。

(2)索力、主梁和主塔應(yīng)力是斜拉橋使用階段最重要的控制參數(shù)，在資金允許的前提下，索力可考慮采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，從而使大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加完善。

(3)該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)維護(hù)和評(píng)估期為2年，服務(wù)期滿后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)移交管理方，管養(yǎng)單位可每3年委托具有相應(yīng)檢測(cè)評(píng)估資質(zhì)的單位進(jìn)行定期安全性評(píng)估。