上海長江大橋主航道橋GPS監測數據分析

查正軍

（上海巨一科技發展有限公司,上海市 200051）

上海長江大橋主航道橋GPS監測數據分析

查正軍

（上海巨一科技發展有限公司,上海市 200051）

根據上海長江大橋主航道橋GPS監測數據，分析塔頂位移和跨中位移的長期變化情況，以及在堵車突發事件下結構的變形情況。結果表明，塔頂順橋向位移長期呈周期性變化，與溫度相關性明顯；突發事件中堵車對橋梁結構位移影響明顯。

GPS監測；結構位移；周期性趨勢；相關性分析；堵車工況

0 引言

大橋的空間幾何形態的長期演變和短期變化反映了結構的時變特性和安全性能，是大橋運營養護部門需要掌控的重要指標?；贕PS的橋梁監測系統是大跨徑橋梁性能與安全監測的主要手段之一[1]。

GPS監測系統即GPS RTK差分系統，由基準站與監測站組成?；鶞收緦⒔邮盏降男l星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站，監測站接收衛星信號及GPS基準站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。GPS RTK測量其豎向定位精度可以達20 mm，平面精度可以達10 mm，其采樣頻率一般為10 Hz以上[1]。

上海長江大橋主航道橋為主跨730 m的雙塔雙索面分離式鋼箱梁斜拉橋。與上海東海大橋、香港青馬大橋等近百座大跨徑橋梁一樣，均建立了含GPS系統的健康監測系統。本文基于長江大橋主航道橋的GPS位移監測數據，分析了結構在長短不同周期荷載作用下的性能規律及結構響應特點。

1 趨勢分析

1.1 長期趨勢分析

大橋在上下行的主跨跨中以及 PM61塔、PM62塔頂布置1個GPS監測點，大橋的管控中心設置1個基準站，GPS設備為Trimble 5 700接收機，測點布置如圖1所示。

圖1 上海長江大橋主航道橋GPS監測布點圖

取2010～2015年度監測數據（10 min均值），對塔頂順橋向位移和主跨跨中豎向位移進行長期趨勢分析。圖2、圖3分別是PM61塔、PM62塔順橋向位移趨勢圖，由圖可看出：

圖2 PM61塔頂順橋向位移6年變化圖（單位:mm）

圖3 PM62塔頂順橋向位移6年變化圖(單位:mm)

（1）塔頂順橋向位移都有明顯的季節變化規律，夏季偏向邊跨，冬季偏向主跨，這與理論分析結果一致：夏季溫度高偏向邊跨，冬季溫度低偏向主跨；推測大橋受長周期的溫度荷載影響較為顯著。

（2）兩個塔頂順橋向位移變化幅度是一致的，塔頂順橋向位移變化范圍為±150 mm左右（限值為±628 mm），在限值范圍內。

圖4、圖5分別是上行、下行主跨跨中豎向位移趨勢圖，由圖可看出：

圖4 主跨跨中上行側豎向位移6年變化圖（單位:mm)

圖5 主跨跨中下行側豎向位移6年變化圖(單位:mm)

（1）季節溫度變化對主跨跨中豎向位移無明顯影響。其中,2013年長江大橋上行側3號車道因鋪裝損壞進行了鋪裝更新，鋪裝鏟除造成跨中豎向位移上撓，鋪裝完成后，位移恢復到鋪裝更新前水平。

（2）主跨跨中豎向位移變化范圍為-75～170 mm左右（限值為-1 024～217 mm），都在限值范圍內。

1.2 與溫度相關性分析

為驗證趨勢分析的推測，大橋位移受長周期溫度影響顯著，結合6年的實測數據進行位移與溫度的相關性分析。

2010～2015 年長江大橋主航道橋的橋面大氣溫度的變化范圍為-8.0℃～+40.3℃。采用結構有限元模型對極端溫度變化對大橋結構的影響進行理論分析（初始化溫度為20℃）。表1為極端溫度條件下主航道橋的實測變形、理論變形以及限值統計情況。圖6為大橋極端溫度變形示意圖，圖7、圖8為2015年PM61塔、PM62塔塔頂順橋向位移與溫度相關性圖，表2為歷年大橋塔頂順橋向位移和梁端位移隨溫度變化的監測斜率和理論斜率。分析表明：

（1）在極端低溫條件下，PM61塔、PM62塔塔頂順橋向位移為分別為126 mm（偏向主跨）、-102 mm（偏向主跨），而理論值分別是191mm和-191 mm；

（2）在極端低溫條件下，PM61塔、PM62塔塔頂順橋向位移為分別為-128 mm（偏向邊跨）、114 mm（偏向主跨，理論值），而理論值分別是-144 mm和144 mm；

（3）塔頂順橋向位移與溫度的相關性指標變化穩定，且與有限元分析理論計算結果吻合良好。

表1 極端溫度下塔頂順橋向位移變形表 mm

圖6 極端溫度變形示意圖

圖7 PM61塔頂順橋向位移與溫度相關性圖（2015年）

圖8 PM62塔頂順橋向位移與溫度相關性圖（2015年）

表2 塔頂順橋向位移與溫度的理論和監測斜率對比表 mm/℃

2 堵車時間分析

為分析短周期荷載作用下大橋關鍵位移的響應特征，選擇典型的偏載工況——單向堵車事件進行相應的分析。

2016年4月4 日13時起，G40高速迎來返程高峰，崇明往上海市區方向長江隧橋持續擁堵，擁堵18 h，綿延42 km，擁堵一直持續到4月5日早晨。

分析GPS系統在該次堵車前后（時間點4月4號0:00到4月6號0:00）的結構響應數據，圖9、圖10為堵車期間主跨跨中豎向位移圖和塔頂的順橋向位移圖。

圖9 堵車時間段跨中豎向位移（單位:mm）

圖10 堵車時間段塔頂順橋向位移（單位:mm）

分析結論如下：

（1）4月4日下午開始，主梁跨中撓度下撓開始增大，到4月5日5:30分左右達到最大，下行側的豎向位移明顯大于上行側。

（2）主塔順橋向位移主要受氣溫變化的影響，但也在4月5日5:30分左右出現明顯變化。

（3）消除溫度效應：根據堵車中最大位移時刻對應的溫度，統計堵車前、堵車后同時間點相近溫度下位移數據，用堵車中最大位移減去同溫度下堵車前后GPS位移均值（消除溫度效應），計算出堵車時實測最大位移值，并與理論值進行對比。表3為堵車工況下最大位移計算表。從表中可以看出：PM61、PM62順橋向最大位移分別為58 mm、-44 mm，分別接近理論值59 mm、-59 mm；主跨跨中豎向位移，下行側（堵車側）為-250 mm，接近理論值-290 mm，上行側為-133 mm，小于理論值-204 mm（這里的理論值詳見表3注釋）。

表3 堵車時間段最大位移計算表 mm

（4）堵車結束后，結構形態又恢復到堵車前水平，說明大橋處于彈性工作狀態，堵車未對大橋結構造成不良影響，結構處于安全狀態。

3 結 語

根據2010年至2015年6年的GPS監測數據分析，得出以下結論：

（1）長期趨勢看,塔頂順橋向位移呈周期性變化，主要受溫度影響，與溫度相關性明顯,而跨中豎向位移沒有周期性變化，與溫度相關性不明顯。

（2）堵車事件（偏載工況）中，下行側跨中（堵車側）實測豎向位移大于上行側跨中（非堵車側）實測豎向位移。堵車結束后，結構又恢復到堵車前狀態，表明大橋處于彈性工作狀態，結構是安全的。

（3）對于大跨度橋梁的關鍵部位（主塔塔頂、主跨跨中）的GPS位移監測數據能真實地反映結構的響應，長期性能變遷可關注位移與溫度的相關性指標，短期極端事件下的結構響應可結合有限元分析判斷結構的安全狀況。

[1]姚連璧，姚平，王人鵬，等.南浦大橋形變GPS動態監測試驗及結果分析 [J].同濟大學學報，2008,36（12）：1633-1636,1664.

[2]喬燕，孫傳智，繆長青.基于GPS的大跨懸索橋動態特性監測及分析[J].測繪通報,2012(3):1-4.

[3]吳杰，喬燕，苗恒亞，等.基于GPS的大跨橋梁動態監測試驗及分析 [J].工程勘察，2016（8）43-47.

[4]黃聲享，吳文壇，李沛鴻． 大跨度斜拉橋GPS動態監測試驗及結果分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2005，30(11): 999-1002.

U446

B

1009-7716（2017）03-0177-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.048

2017-02-08

查正軍（1981-），男，安徽安慶人，工程師，從事橋梁結構健康監測工作。