桃夭門大橋結構健康監測傳感器布點設計

暢衛杰　劉舟峰　郭書峰　徐文城

(1.浙江舟山跨海大橋有限公司，浙江 舟山　316000；　2.中交公路規劃設計院有限公司，北京　100088)

1　概述

結構健康監測是對土木工程結構、特別是大型和超大型結構的設計、建造、維護和運營安全具有重要的意義，為揭示結構真實服役環境、荷載、響應和性能演化規律提供了現場試驗手段[1]。結構健康監測系統在大型橋梁工程中已經得到了比較廣泛的應用[2]，也正在逐漸體現出與人工檢查不同的獨特優勢和價值。

橋梁環境和橋梁荷載是導致結構安全變異的外在因素；橋梁結構自身的性能退化是導致結構安全變異的內在因素。橋梁結構響應信息和橋梁損傷(病害)信息是外因通過內因發生作用的直接結果，判別橋梁安全狀態改變的信息都包含在這兩類信息中，但它們是局部的、離散的或者隱含的；通過橋梁安全狀態的評估才能從損傷和響應信息中抽取橋梁評估信息，才能綜合判斷結構安全狀態的變異與否。具體到桃夭門大橋，其結構安全特征信息如圖1所示。

2　監測點一般性設計

2.1　結構特點

桃夭門大橋為舟山大陸連島工程的第三座跨海大橋，大橋全長888 m，橋面寬27.6 m，雙向四車道，橋跨布置為(48+48+50+580+50+48+48)m，主橋為580 m的雙塔雙索面半漂浮體系混合式斜拉橋，主梁采用鋼結構加勁梁，基礎為鉆孔灌注樁，下部為鉆石型索塔，索塔高151 m。引橋上部結構采用混凝土箱梁，橋墩為T型空心墩，基礎為鉆孔灌注樁，橋臺為重力式U型擴基橋臺。總體橋型布置圖如圖2所示。

2.2　測試內容設計

根據交通運輸部發布的JT/T 1037—2016公路橋梁結構安全監測系統技術規程[3]，對于特大型斜拉橋結構一般需要考慮的監測內容應包括如表1所示的內容。

表1　桃夭門大橋監測內容

類別主要參數荷載與環境結構整體響應結構局部響應車輛荷載風速、風向溫度濕度振動變形應變索力疲勞斷面交通流、車型、車軸重、軸數、車輛總重、車速橋面塔頂箱梁內外環境溫度混凝土溫度鋼結構溫度箱梁內濕度環境濕度索塔錨固區濕度主梁豎向振動加速度主梁橫向振動加速度塔頂水平雙向振動加速度主梁撓度主梁橫向變形塔頂偏位主梁關鍵截面應變斜拉索斜拉索主梁伸縮縫

而具體的測點位置則還應結合桃夭門大橋的具體特點、風險特征和理論計算結果確定。由于風荷載、溫濕度等監測內容測點位置的選擇比較簡單，因此下面重點介紹斜拉索索力、整體動力特性、混凝土裂縫、鋼箱梁應力及鋼混凝土結合面錯位的測點設計。

2.3　索力測點設計

建立桃夭門大橋的有限元模型，計算其在恒載作用下的各索索力(見圖3)。

在不同荷載工況下，斜拉索索力計算結果見圖4。

通過以上計算結果可以得出，長索索力較大，且各索索力受力較為均勻。因此，在設計時選取不同規格斜拉索中較長的索進行重點監測。索力加速度計布設位置及數量見表2。

表2　索力加速度計布設位置及數量

2.4　動力特性測點設計

對桃夭門大橋進行理論模態分析，得到其計算動力特性結果見圖5，表3。

表3　桃夭門大橋計算動力特征

振型序號周期/s頻率/Hz振型描述13.3780.296正對稱豎彎23.0860.324正對稱側彎32.3580.424反對稱豎彎41.6610.602正對稱豎彎51.2970.771反對稱豎彎

通過對桃夭門大橋前五階模態進行分析，可見桃夭門大橋低階模態以豎向模態為主，結構健康監測系統對結構振動特性的監測應主要布置豎向加速度傳感器(見表4)。

表4　動力特性測點的布設位置設計結果

2.5　混凝土箱梁裂縫、鋼箱梁應力與鋼混凝土交接面錯位監測

在恒載作用下，主梁應力結果見圖6。

其中1號、10號、19號為墩頂節點，28號節點為塔梁交接處節點，77號為主跨跨中節點。

在不同荷載組合作用下，主梁應力結果見圖7。

根據計算結果可以看出，主梁上翼緣最大應力和下翼緣最大應力發生在跨中及墩頂位置。結合現場勘查的病害結果，設計時對主跨跨中進行鋼箱梁疲勞監測。由于鋼混結合段受力較為復雜，對該斷面布設應變計進行應力監測，同時在鋼混結合段兩側布設加速度計，通過兩側的振動是否一致來判斷其結合狀況(見表5)。

表5　混凝土箱梁裂縫、鋼箱梁應力及結合面錯位監測測點設計結果

2.6　測點設計結果

根據結構特點、風險分析及計算分析，并結合現場踏勘，最終確定的監測點設計結果如圖8所示。

3　結語

桃夭門大橋作為跨海特大橋結構，運營中面臨的風險大，不確定因素多，因此安裝橋梁健康監測系統對于掌握橋梁運營狀況，進行臺風等災后的應急處置具有重要意義。同時，本項目中的鋼混凝土結合面錯位設計為類似工程中首次采用，可以為后續類似工程提供借鑒。

參考文獻：

[1]Ou J.Some Recent Advances of Intelligent Health Monitoring Systems for Civil Infrastructures in Mainland China[A].proceedings of the Proceeding of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure[C].Tokyo,Japan,2003.

[2]H Wenzel,Health Monitoring of Bridges[M].John Wiley & Sons,Ltd,2009.

[3]JT/T 1037—2016,公路橋梁結構安全監測系統技術規程[S].