大跨徑混凝土梁橋長期監測工程示例

朱衛國+嚴圣友

摘 要：文章基于依托工程，從監測項目、數據處理方法、評估與預警等方面對其建立長期監測系統。主要敘述了依托工程的監測項目與預警方法，可為大跨徑混凝土梁橋長期監測系統的建立提供示范作用。

關鍵詞：大跨徑混凝土梁橋；長期監測；數據處理；評估；預警

1 監測項目

本文依托工程鐘秀大橋主橋位于江蘇省南通市，主橋是三跨預應力混凝土連續梁橋，跨徑組合為（60+100+60）m，跨中截面高260cm，墩頂高550cm，采用懸臂澆筑法施工，上部結構模型圖如圖1所示。

在監測過程中對鐘秀大橋主橋主梁應力、主梁撓度、主梁動力特性、溫度、支座反力以及車輛荷載進行實時監測。

主梁應力測點、主梁撓度、主梁動力特性以及環境溫度的測點斷面位置見圖2所示。圖中傳感器編號為：截面-監測項目：對應傳感器數目，其中監測項目為：Y-應力；N-撓度；D-動力。

應力監測測點在截面上的具體布置，根據監測斷面的不同而不同，如圖3所示。其中圖3（a）所示為鐘秀大橋各跨墩頂1/4L截面的測點布置示意圖，圖3（b）所示為中跨跨中截面、邊跨端部1/4L截面的測點布置示意圖，圖3（c）所示為墩頂截面測點布置示意圖。

鐘秀大橋主橋主梁應力可采用振弦式應變計進行監測，如HC-1100型號應變計，為表面式應變計。鐘秀大橋主橋縱向坡度為2.5%，跨中離橋臺位置距離110m，主梁在橋臺與中跨跨中高差相差過大（11000×0.025=275cm>260cm），需設置多套獨立的連通管系統。根據圖2所示，撓度監測斷面共有端部截面（2個）、邊跨墩頂2/3截面（2個）、墩頂截面（2個）、中跨1/4截面（2個）、中跨跨中截面（1個）。經過試算后，需對其設置3套連通管系統，以完成對上述9個截面的撓度測量。其中邊跨測點組成一個系統，即A、C、F或J、L、M，中跨測點組成一個測點，即F、G、H、I、J，其中F、J斷面測點具有轉點作用，需在這兩個斷面上安裝兩個靜力水準儀。3個撓度連通管系統通過墩頂截面（即F、J截面）進行換算，進而可得各截面撓度值。為減小誤差，相鄰截面的靜力水準儀分別放置主梁左、右腹板內側，如圖4所示，其中d值可見表1所示。d值的計算為：d=截面高度-距頂板距離-底板厚度，其中距頂板距離是指靜力水準儀與頂板上緣的距離，該值并不固定，主要是考慮靜力水準儀能否在箱梁內安裝在同一水平高度線上。

鐘秀大橋主橋動力監測可采用伺服式加速度計，動力監測測點位置可安裝固定于箱室內部底板部位。

橋址處環境溫度，可采用HMP45D型溫濕一體化傳感器進行監測，可置于墩頂部位頂板下緣位置或橋頭某處位置。橋梁結構內部溫度，則通過對每個應變傳感器內嵌熱敏電阻進行監測。

對于支座反力，可在每個支座處安裝反力傳感器進行監測。對于車輛荷載，可在橋頭部位安裝動態地磅進行監測。

2 數據處理方法

數據處理系統是橋梁結構監測系統中的核心模塊，負責將數據采集與傳輸系統輸出的各類原始數據進行預處理與轉換、誤差消除、統計分析等，同時也將處理得到的監測數據傳輸到數據管理系統中的監測數據管理子系統中歸檔存儲，以及傳輸到評估預警系統中查看是否引起警報。

3 評估與預警方法

3.1 綜合評估

鐘秀大橋主橋可采用基于層次分析法的變權綜合評估法進行評估，其評估指標可見圖6所示。

3.2 預警設置

在計算時，需考慮的荷載主要有結構自重、預應力、汽車荷載、收縮徐變以及溫度作用。溫度作用可分為截面梯度作用與系統溫度作用。對于汽車荷載，根據設計圖紙，在Midas/Civil中對其設置3車道。溫度作用按規范進行設置。在上述荷載中，結構自重、預應力以及收縮徐變對于各點應力的效應都是恒定的。而汽車荷載及溫度作用所產生的效應值是變化的，對各測點應力可正可負（汽車荷載布置于不同跨，溫度變化可正可負）。

如圖7所示，為鐘秀大橋主橋在成橋1年時，全跨范圍內各截面頂、底板邊緣位置，在上述荷載中的應力最大值與最小值示意圖。其中溫度荷載只取其梯度溫度效應（橋梁縱向靜定，系統溫度效應很小）。圖中所示應力最大或最小值，即為預警的安全閥值，即為紅色警報值，將其乘以0.8即可得黃色警報值。中跨跨中頂、底板邊緣位置的應力警報值如表2所示，其他截面的應力預警閥值類似計算。

撓度的預警閥值求解過程類似，所需考慮的荷載是汽車荷載、溫度作用。其中溫度作用只考慮其系統溫度作用（梯度作用影響很小）。圖8所示為結構在汽車荷載以及溫度作用下的撓度變化值。其最大值或最小值即為結構撓度安全閥值，也即為紅色警報值，將其乘以0.8即得黃色警報值。中跨跨中截面的撓度警報值可見表3所示。

4 長期監測總體框架

鐘秀大橋主橋長期監測總體框架，可以由傳感器、數據采集與傳輸、數據處理與分析、結構響應對比分析、綜合狀況評估與預警以及數據管理等部分組成，如圖9所示。

傳感器系統是利用相關監測設備，根據前述方法對結構進行布設，負責監測結構在荷載作用下的如應力、撓度等結構參數的變化。數據采集與傳輸系統則負責將傳感器系統監測到的信息進行收集，并將其傳輸至數據處理與分析系統中。經過數據處理與分析后，將不同時間段上的結構響應進行對比分析，可對結構健康狀況有一定的了解。同時結合橋梁綜合狀況評估以及預警分析，可較為準確的把握橋梁健康狀況，并可對橋梁養護維修提供建議。整個監測過程在運行中所產生的全部原始數據（頻率、液位變化等）及監測數據（結構應力、結構變形、振型、溫度等），需要通過數據管理系統進行備份長期儲存，以備統計分析。

5 結束語

本文主要對課題依托工程——鐘秀大橋主橋，從監測項目、數據處理方法以及評估預警等三個方面敘述了建立長期監測的過程，其中對監測項目及預警進行了主要敘述。該方法具有針對性和經濟性，可以為這類橋梁的長期監測提供指導作用。

參考文獻

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