波紋鋼腹板連續梁橋監測方案研究

謝 巍

(安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

G105線南照淮河公路大橋位于105國道968K+909處,是105國道跨越淮河的一座重要橋梁,主跨為65m+98m+65m單箱雙室波紋鋼腹板連續梁橋,橋面全寬20.5m,全橋總長2328m。

1 系統需求及整體框架

橋梁管理的目的在于保證結構的可靠性,主要指結構的承載能力、運營狀態和耐久性能等,以滿足預定的功能要求。橋梁的健康狀況主要通過利用收集到的特定信息來加以評估,并作出相應的工程決策,實施保養、維修與加固工作。針對上述特點,我們擬在南照淮河公路大橋建立一個長期的在線監測預警系統,對主橋主梁的應變、溫度、撓度和振動,以及橋面狀況、車載對橋影響進行跟蹤監測,并根據傳感器數據和視訊觀測及時預警。

2 系統構建方案

2.1 傳感器子系統

圍繞上述分析獲得的健康監測基本內容,依據系統設計的基本原則,在滿足可靠性、可維護性、可擴展性、經濟性等要求的基礎上,合理選擇傳感器建立傳感器子系統。

2.1.1 應力及結構溫度監測

主橋上部結構,應力測點主要布置在主跨的1/2截面、主墩墩頂、邊跨1/2截面、腹板剪應力截面(中跨距墩頂14m處),全橋共布置6個應力測試截面。墩頂截面測點布置在箱內頂板每個箱室兩個測點單個截面4個測點；跨中截面測點布置在每個箱室內頂板與底板各2個測點單個截面8個測點；剪應力截面測點布置為每個箱室內頂板與底板各1個測點,每個腹板中部布置1個應變花,單個截面共4個應變測點3個應變花。采用光纖光柵應變傳感器進行布設。

溫度對鋼-混組合結構材料溫度性能的差異及其結構形式本身造成溫度影響相較鋼結構與混凝土結構更為巨大,結構溫度監測測點布置同應力測點布置,溫度傳感器可根據需要與應變傳感器進行功能耦合或單獨布置。

2.1.2 撓度監測

橋梁恒載作用下箱梁的軸線和橋塔位置是橋梁整體安全狀態的重要標志。活載作用下主梁的撓度是評價主橋使用功能和安全性的重要指標之一是橋梁整體剛度的重要標志。通過對橋梁基礎沉降變形監測和箱梁撓度的監測河以從整體上把握橋梁運營安全狀態。本橋擬設置4個測試截面,以主橋伸縮縫位置截面為0號基準截面,1、2、3號分別為主橋各跨跨中處,每個截面在箱室內橫橋向布置2個壓差計。同一個截面的壓差計通過計算,換算出橋面的傾斜和變形量值。

2.1.3 伸縮縫縱向位移監測

主橋分別測試兩端伸縮縫縱向位移,每道伸縮縫對稱布置2個頂桿式傳感器,主布置4個頂桿式傳感器。

2.1.4 環境監測

主橋橫跨淮河,橋址處環境情況復雜變異性大,風荷載與溫度荷載對自重較輕的鋼混組合結構來說是不可忽略的。本橋擬采用氣象數據采集儀對橋址大氣溫度、濕度、風力、風向等環境指標進行監測。

2.1.5 體外預應力監測

體外索是本橋結構的關鍵受力部位,擬在主橋選擇一根體外索進行應力監測,結合施工監控測點布置,體外預應力長期監測采用壓力環。

2.1.6 主墩傾斜度監測

考慮到主橋橋墩的實際情況,選擇主橋9#橋墩采用傾斜儀對橋墩傾斜度進行監測。

2.2 電子化監測子系統

橋梁的結構健康與車輛荷載的大小直接相關,重車經過必然伴隨著巨大的變形和扭轉,為了后期數據分析的針對性,擬在橋上布設視頻監控系統,以掌握重車經過的時間和頻度。

2.3 傳感器數據采集與傳輸子系統

光纖光柵信號處理系統是本監測系統中的核心設備,也是光學探測的數據轉換部件。光接口模塊根據工程可以靈活配置通道數量。

2.4 數據處理與管理子系統

數據管理與控制子系統由硬件及軟件兩個組成部分。硬件由1臺計算機數據服務器和計算機工作站組成。可根據不同監測參數的特點,采用不同的的采集方式。

2.5 評估系統

綜合評估系統的功能將通過軟件實現,并結合硬件系統的特性進行更新和調試。軟件系統應集數據采集、數據預處理、數據處理、橋梁健康預報與診斷和多用戶服務系統于一體。

2.5.1 監測系統預警模塊

本監測預警系統根據不同的物理量設置不同的預警閾值,采用二級預警機制：初級預警,二級預警。

(1)初級預警(局部預警)。在各個傳感器工作站設有參數超值報警功能。當單一傳感器的輸出超出警戒線后立即進行超值預警判斷并向系統監控總站發出數據優先傳輸和處理申請。系統監控總站進入系統的預警處理程序進行進一步的處理。

(2)二級預警(結構預警)。在一段時間間隔內有兩個或者兩個以上的監控截面發出初級預警警報,二級預警程序啟動。二級預警根據傳感器的類型、截面類型、以及所在的結構狀況作出二級預警判斷和預報。

(3)預警值設定。預警值設定一般分為紅、黃兩級,以設計值及出現頻次為控制依據,例如當位移或變形大于0.8倍設計值時,進行黃色預警；大于設計值或一個月內發現10次以上黃色預警時,進行紅色預警。

2.5.2 監測系統評估模塊

(1)橋梁結構校驗系數小于1時,判定結構處于正常狀態；否則,判定結構狀態異常。

(2)利用監測的環境、車輛荷載及結構響應,計算結構整體內力和線形,與設計值進行對比,滿足橋梁設計規范要求,判定結構處于正常狀態,否則為異常。

(3)監測獲取的橋梁結構自振頻率與設計理論計算頻率的比值大于或等于1,判定結構處于正常狀態,否則為異常。

(4)當上述任何一項判定為異常時,應立即對橋梁進行專項評估及相應處理。

3 結論

本文以G105線南照淮河公路大橋為依托,針對波紋鋼腹板連續梁橋受力特點及監測需求,對其監測系統的設計方案、預警及評估方式及相關注意事項進行了詳細地分析與闡述,為類似橋梁的健康監測系統設計與開發提供參考。