基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長(zhǎng)江公路二橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

胡可， 王佐才， 段大猷， 任偉新，3

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥230088；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；3.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽省基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

0 前言

橋梁在使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，導(dǎo)致橋梁抵抗破壞能力下降，極端情況下會(huì)引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故[1]。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，需對(duì)大跨度橋梁采用有效的手段監(jiān)測(cè)和評(píng)定其安全狀況[2,3]，即建立橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)多種現(xiàn)代化的傳感和信號(hào)采集處理手段，獲取橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境輸入以及結(jié)構(gòu)本身各種狀態(tài)參量，進(jìn)而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估，實(shí)時(shí)報(bào)告橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況，損傷的發(fā)生及其位置、性狀；當(dāng)工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-8]。

美國(guó)最先在威斯康星州Michigan Street Bridge上安裝了世界上第一套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的發(fā)展?fàn)顩r和其他狀態(tài)參數(shù)變化的監(jiān)測(cè)[9]。英國(guó)對(duì)愛(ài)爾蘭的Foyle橋在80年代安裝了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以研究車輛、風(fēng)及溫度對(duì)大橋響應(yīng)的影響。該系統(tǒng)作為安裝較早且較為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一，能做到對(duì)橋梁狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析[10]。我國(guó)的李惠和歐進(jìn)萍教授[11,12]提出了大跨斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提出橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則、傳感器優(yōu)化布置方法、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方法等等。

此后，建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉橋、美國(guó)的主跨440m的Sunshine Skyway Bridge、丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624m的Great Belt East懸索橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、英國(guó)的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋、加拿大的Confederation連續(xù)剛構(gòu)橋、日本的明石海峽大橋、韓國(guó)的Seo-Hae斜拉橋、泰國(guó)的Rama 8橋（獨(dú)塔斜拉橋）等。1997年通車的香港青馬大橋，花費(fèi)16,00萬(wàn)美元建立了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共安裝了600多種各類傳感器，包括加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、風(fēng)速計(jì)、熱電偶和GPS系統(tǒng)等，除青馬大橋外，香港的另外2座大型斜拉橋Kap Shun Mun和Ting Kau橋上都安裝了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，3座橋梁的傳感器總數(shù)達(dá)900個(gè)。我國(guó)內(nèi)地自1997年起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如上海的徐浦大橋和盧浦大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等等。

本文針對(duì)蕪湖長(zhǎng)江公路二橋全漂浮式分肢柱式塔四索面分體式鋼箱梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，確定了相應(yīng)的效應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。為了監(jiān)測(cè)該橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，確定了環(huán)境及荷載監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。提出了蕪湖長(zhǎng)江公路二橋健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)總體構(gòu)架方案，確定了由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)、健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)和橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)組成的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋是安徽省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱八橫”中的“縱二”組成部分，在交通路網(wǎng)規(guī)劃中具有重要的地位。起點(diǎn)位于無(wú)為縣的石澗，在磯頭山過(guò)長(zhǎng)江。蕪湖長(zhǎng)江公路二橋主橋跨徑布置為（100+308+806+308+100）m全漂浮式分肢柱式塔四索面分離式鋼箱梁斜拉橋。主塔基礎(chǔ)采用直徑39m的圓形承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)30根鉆孔灌注樁。索塔采用獨(dú)柱式結(jié)構(gòu)形式，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座和下橫梁，索塔總高262.48m。其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m。塔柱采用空心八面形斷面，上塔柱為整體單箱單室，中塔和下塔柱為分肢箱型等高度截面。斜拉索為同截面回轉(zhuǎn)拉索，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa，彈性模量為195000MPa。主梁為扁平弧形底板分離鋼箱，正交異性橋面板，總寬度達(dá)53m。中線處梁高3.5m。53m寬主梁由雙18m寬單箱和中間17m寬透空帶組成，雙邊箱梁采用箱形橫梁連接。

2.1 主梁結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

主橋通航孔由806m的主跨跨越，308m的邊跨為備用通航孔，另設(shè)100m的協(xié)作跨，全橋滿足通航凈空、凈寬要求。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)索距16m，塔上豎向標(biāo)準(zhǔn)索距2.5m。橋面縱坡為1.98%，其中主跨處于R=25000m的圓弧豎曲線上。主梁為分離式扁平流線形封閉鋼箱梁，其中上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu)。斜拉索采用強(qiáng)度為1860MPa的鍍鋅鋼絞線。

鋼箱梁按2個(gè)行車道方向分為兩幅獨(dú)立的箱梁，單幅箱梁兩側(cè)各設(shè)有斜拉索錨固點(diǎn)，斜拉索在塔端采用鞍座錨固系統(tǒng)，兩幅箱梁之間間隔一個(gè)梁段設(shè)置橫梁進(jìn)行連接。

單幅箱梁在邊墩、過(guò)渡墩處各設(shè)置1個(gè)雙向滑動(dòng)支座，支座規(guī)格分別為2000t和600t；在索塔處不設(shè)豎向支座，僅設(shè)置橫向抗風(fēng)支座和縱向帶限位功能的粘滯阻尼器，單個(gè)索塔共有2×2=4個(gè)雙向滑動(dòng)支座，支座規(guī)格為500t。粘滯阻尼器對(duì)脈動(dòng)風(fēng)、剎車和地震引起的動(dòng)荷載具有阻尼耗能作用，而對(duì)溫度和汽車引起的緩慢位移無(wú)約束。當(dāng)由靜風(fēng)、溫度和汽車引起的塔梁相對(duì)縱向位移在阻尼器設(shè)計(jì)行程以內(nèi)，不約束主梁運(yùn)動(dòng)；超出行程時(shí)，對(duì)主梁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生固定作用。一個(gè)塔梁固結(jié)處安裝4個(gè)粘滯阻尼器，全橋共設(shè)8個(gè)。

2.2 主塔結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

主塔采用獨(dú)柱形，包括上塔柱（包含上、中塔柱連接段）、中塔柱（包含中、下塔柱連接段）、塔座和下橫梁，采用C50混凝土。塔柱頂高程264.48m，塔柱底中心高程5.00m，塔座底中心高程2.00m。塔索塔總高262.48m（含塔座）：其中上塔柱高108m，中塔柱高112.936m，下塔柱高38.540m；中、下塔柱橫橋向側(cè)面的斜率為1/49.425，順橋向側(cè)面的斜率為1/74.137。索塔在橋面以上的高度為212.936m，高垮比為0.264，索塔底部截面尺寸為18.5×15m，頂部截面尺寸為8×8m。

塔柱采用空心八邊形斷面，上塔柱為整體單箱單室，尺寸由8.00×8.00m變化到12.37×10.914m，上塔柱壁厚度順橋向?yàn)?.77～3.82m，橫橋向厚度為2.03～3.6m。AW(AN)3-AW(AN)25、JW(AN)3-JW(AN)25號(hào)斜拉索主塔上采用鞍座錨固形式，AW(AN)2-AW(AN)3、JW(AN)2-JW(AN)3、AW1(JW1)號(hào)拉主塔上為齒板錨固形式。中下塔柱為分肢箱型等高度截面，截面高度為4m，每肢塔設(shè)電梯孔，電梯孔橫橋向?qū)挾葹?.5m，為保證下塔柱能夠抵抗船舶撞擊力，下塔柱底部至標(biāo)高17.5m的范圍設(shè)橫梁兩分支塔連成整體型截面。

上塔柱荷載通過(guò)上、中塔柱連接段傳到2個(gè)分肢，設(shè)置2道厚度3.0m的橫隔板予以加強(qiáng)，在連接段上部設(shè)長(zhǎng)2.15m，寬度5.8m的混凝土墊塊用于支撐2～3號(hào)斜拉索錨塊；隔板上設(shè)置2個(gè)混凝土錨墩用于1號(hào)斜拉索錨固，考慮此連接段受力復(fù)雜，在連接段范圍內(nèi)設(shè)置20根15.2-16環(huán)形預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼材采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線。塔柱內(nèi)側(cè)在標(biāo)高50.294m處設(shè)有主梁橫向抗風(fēng)支座，在橋塔橫梁設(shè)置阻尼器墊石，并在相應(yīng)的位置設(shè)置厚度為1m的橫隔板。

2.3 斜拉索同向回轉(zhuǎn)錨固體系特點(diǎn)

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋斜拉索采用同向回轉(zhuǎn)鋼絞線斜拉索，梁上錨固間距16m，采用錨拉板錨固系統(tǒng)，塔上錨固為四索面雙層同向回轉(zhuǎn)拉索錨固體系。同向回轉(zhuǎn)鋼絞線斜拉索采用的是無(wú)粘結(jié)鋼絞線拉索，通過(guò)同向回轉(zhuǎn)拉索錨固方式，在橋塔上采用斜置鞍座錨固，斜拉索在鞍座中回轉(zhuǎn)后在同側(cè)穿出，再錨固在主梁同一截面上，形成一對(duì)同編號(hào)斜拉索。同向回轉(zhuǎn)拉索錨固體系在橋塔內(nèi)所占用的空間較小，不需內(nèi)置大型鋼構(gòu)件，斜拉索在橋塔上以斜置方式錨固，拓展了傳統(tǒng)鞍座的使用方式。橋塔斜置鞍座的安裝和定位簡(jiǎn)單，穿索、換索安全性優(yōu)勢(shì)明顯。

3 結(jié)構(gòu)功能需求分析及響應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

針對(duì)蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，將大橋解析為主梁結(jié)構(gòu)體系、主塔結(jié)構(gòu)體系及斜拉索同向回轉(zhuǎn)錨固體系3個(gè)結(jié)構(gòu)體系，分析各個(gè)結(jié)構(gòu)體系的特征和功能需求，確定各個(gè)結(jié)構(gòu)體系的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)及傳感器布設(shè)。

3.1 主梁監(jiān)測(cè)

主梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：縱向全漂浮體系、寬度大、分幅布置、跨度大，活載作用下主梁跨中撓度為1023mm，約為中跨跨度的1/788；變形量大，且呈現(xiàn)三向位移及扭轉(zhuǎn)特性。

針對(duì)橋梁變形大的功能需求特點(diǎn)，將對(duì)主梁的線形進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為主梁豎向撓度、主跨跨中空間位移。主梁豎向撓度采用連通管水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)均勻分布在全橋主梁上，監(jiān)測(cè)主梁的豎向撓度；主跨跨中空間位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)主跨跨中整個(gè)截面豎向、橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)位移，其中豎向位移與連通管測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)冗余、互為校核。

3.1.1 主梁變形監(jiān)測(cè)

主梁豎向撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)為主跨四分點(diǎn)、邊跨跨中及輔助墩墩頂，每幅箱梁測(cè)點(diǎn)14個(gè)，全橋共28個(gè)測(cè)點(diǎn)。為監(jiān)測(cè)寬幅箱梁的扭轉(zhuǎn)變形，在主跨跨中及1/4跨、3/4跨、邊跨跨中橫向布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。主梁豎向撓度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

另外，為監(jiān)測(cè)跨中的空間位移，在跨中布置GPS測(cè)點(diǎn)，橫梁中部布置1個(gè)。GPS測(cè)點(diǎn)與連通管水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)在主跨跨中呈現(xiàn)冗余，互為校核。GPS測(cè)點(diǎn)與主塔塔頂空間位移測(cè)點(diǎn)聯(lián)合組網(wǎng)，采用1個(gè)共同的基準(zhǔn)點(diǎn)。主梁的變形測(cè)點(diǎn)匯總于表1所示。

圖1 主梁豎向撓度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

主梁豎向撓度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置匯總 表1

3.1.2 鋼箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

蕪湖二橋主梁為正交異性橋面板，主要的功能需求為鋼橋面板的疲勞監(jiān)測(cè)需求。針對(duì)可能發(fā)生疲勞破壞的特征，選擇主跨跨中、塔梁交接處的3個(gè)鋼箱梁截面作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面。選擇中間車道的中間橋面系作為監(jiān)測(cè)區(qū)域。每幅箱梁7個(gè)U肋底板縱向測(cè)點(diǎn)，6個(gè)面板橫向測(cè)點(diǎn)，共13個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)區(qū)域涵蓋1車道內(nèi)側(cè)一半寬度、2車道外側(cè)一半寬度；每斷面26個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋3個(gè)斷面共78個(gè)測(cè)點(diǎn)。鋼箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的斷面布置如圖2所示。

3.1.3 主梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)

圖2 斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

本橋的主要低階振型有：縱漂、側(cè)彎、豎彎、扭轉(zhuǎn)。根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，綜合前十階振型最大位移的位置，確定主梁的振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。主梁橫向測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)截面位置為：次邊跨跨中，主跨四分點(diǎn)、主跨跨中共計(jì)5個(gè)橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。主梁的縱向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為塔梁交接處及主跨跨中截面共計(jì)3個(gè)縱向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。主梁豎向測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)截面位置為：次邊跨跨中、塔梁鉸接處、主跨四分點(diǎn)、主梁跨中共計(jì)7個(gè)測(cè)試斷面14個(gè)豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。主梁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖3和表2所示。

圖3 主梁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

主梁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)匯總 表2

3.2 主塔監(jiān)測(cè)

主塔是橋梁主要承重構(gòu)件，橋梁所有的恒、活荷載均通過(guò)斜拉索將之傳遞至主塔，由主塔傳輸至基礎(chǔ)。另外，由于在地震、風(fēng)等荷載作用下，主塔的橫向變位和變截面處的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量也是主塔監(jiān)測(cè)的重要功能需求。因此，主塔的變形監(jiān)測(cè)需求主要有塔頂空間位移、塔柱的垂直度、塔的關(guān)鍵截面應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

3.2.1 塔頂空間位移監(jiān)測(cè)

本橋主塔從承臺(tái)以上高約260m，高度大、結(jié)構(gòu)柔、運(yùn)營(yíng)期間塔頂變位大。傾斜儀測(cè)量結(jié)果為角度、不直觀，且傾斜儀在活載激振下過(guò)于敏感，容易出現(xiàn)較多的異常值。GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為三向位移，采用RTK方法可獲得較高的精度，可滿足本橋主塔的空間變位監(jiān)測(cè)。全橋GPS站點(diǎn)設(shè)置采用移動(dòng)和固定式配合設(shè)置，布置一個(gè)移動(dòng)GPS站點(diǎn)，固定式GPS站點(diǎn)分別設(shè)置在主塔及主梁上，在Z3、Z4塔頂各布置一個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)，主梁跨中布置一個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4所示。

圖4 塔頂空間位移測(cè)點(diǎn)布置圖（圖中包含了主梁跨中空間位移測(cè)點(diǎn)）

3.2.2 塔柱垂直度監(jiān)測(cè)

單根塔柱總體上比傳統(tǒng)的A型塔柱、倒Y型塔柱剛度偏小。采用傾角儀監(jiān)測(cè)塔柱的偏角，通過(guò)擬合得到垂直度情況。本橋在下橫梁處布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；上塔柱分叉處、中部及頂部各布置1個(gè)傾角測(cè)點(diǎn)；單塔柱布置4個(gè)雙向傾角儀，全橋共8個(gè)雙向傾角儀。塔柱垂直度傾角測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 塔柱垂直度傾角測(cè)點(diǎn)布置

3.2.3 主塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)

主塔應(yīng)變是結(jié)構(gòu)恒載受力狀態(tài)的反應(yīng)指標(biāo)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分繼承施工監(jiān)控期間的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果包括了結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的應(yīng)力值，是結(jié)構(gòu)的絕對(duì)應(yīng)力，監(jiān)測(cè)主塔結(jié)構(gòu)的絕對(duì)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的重要監(jiān)測(cè)需求。因此，在施工過(guò)程中，就針對(duì)蕪湖二橋塔的關(guān)鍵截面預(yù)埋了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感元件。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的最不利分析結(jié)果，主塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面確定為：上塔柱斜拉索錨固區(qū)、上中塔柱交接處、中下塔柱交接處。其中上塔柱斜拉索錨固區(qū)選擇第4號(hào)和第10號(hào)斜拉索錨固斷面，每斷面布置2個(gè)豎向應(yīng)變計(jì)，每個(gè)錨固體頂點(diǎn)各1個(gè)；斜向應(yīng)變計(jì)6個(gè)，每個(gè)錨固體3個(gè)；按45°角分布，指向錨體圓心。每塔16個(gè)，全橋共32個(gè)測(cè)點(diǎn)。主塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面如圖6所示，令1/2跨與之對(duì)稱。

圖6 1/2跨主塔應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面

上中塔柱交接處布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中應(yīng)變花2處、共6個(gè)；豎向應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)。每塔10個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋共20個(gè)測(cè)點(diǎn)。斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)下圖所示。中、下塔柱交接處斷面內(nèi)布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，全橋8個(gè)測(cè)點(diǎn)。斷面3、4為索鞍處結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。主塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 主塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

3.3 斜拉索回轉(zhuǎn)錨固體系監(jiān)測(cè)

斜拉索為四索面同向回轉(zhuǎn)索體系，其受力相對(duì)于雙索面而言則更為復(fù)雜，四索面斜拉橋的關(guān)鍵問(wèn)題之一是四索面索力分配是否均勻。內(nèi)外側(cè)索力分布不均勻，同截面索力的變化會(huì)導(dǎo)致鋼橫梁受力狀態(tài)的變化，以及回轉(zhuǎn)索的抗滑移性能，所以需要對(duì)斜拉索的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于同向回轉(zhuǎn)拉索體系的分絲夾持型鞍座是屬于新型的錨索系統(tǒng)，需要對(duì)這種鞍座錨體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3.1 基于振動(dòng)法的索力監(jiān)測(cè)

通過(guò)索力與斜拉索振動(dòng)頻率關(guān)系，根據(jù)頻率換算為斜拉索索力。斜拉索振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)兼顧索力監(jiān)測(cè)。全橋共設(shè)40個(gè)自動(dòng)化索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 斜拉索振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3.3.2 同向回轉(zhuǎn)錨固體系監(jiān)測(cè)

該橋所采用的分絲夾持型鞍座是屬于新型的錨索系統(tǒng)，需要對(duì)這種鞍座錨體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鞍座工作性能監(jiān)測(cè)包括應(yīng)力、溫濕度和視頻監(jiān)控3個(gè)部分。其中上塔柱斜拉索錨固區(qū)選擇第4號(hào)和第10號(hào)斜拉索錨固斷面，每斷面布置2個(gè)豎向應(yīng)變計(jì)，每個(gè)錨固體頂點(diǎn)各1個(gè)；斜向應(yīng)變計(jì)6個(gè)，每個(gè)錨固體3個(gè)；按45°角分布，指向錨體圓心。每塔16個(gè)，全橋共32個(gè)測(cè)點(diǎn)。鞍座應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 鞍座應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

直接裸露的工作面是分絲管內(nèi)壁、線管內(nèi)壁、外面及前導(dǎo)管的內(nèi)壁，傳感器探頭布置在分絲管V型槽口的下端位置。探頭布置的位置在鞍座出口20cm直線段范圍內(nèi)。傳感器布置的位置在鞍座的中間區(qū)域，選用的鞍座編號(hào)為AN18左側(cè)，AW18左側(cè)，在這兩個(gè)位置每個(gè)斷面布置2個(gè)分絲管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布置4個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。

鞍座在出口位置鋼絞線在分絲管內(nèi)部處于微動(dòng)磨損狀態(tài)中，絞線在該位置處于連續(xù)的磨損狀態(tài)，如果鋼絞線的防腐層出現(xiàn)破損，將會(huì)在此位置損傷，因此需要對(duì)該位置鋼絞線和鞍座分絲管的之間的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。內(nèi)視探頭布置在靠近法蘭盤(pán)的位置，可視范圍在分絲管下側(cè)、V型管底端、鋼絞線和V型管接觸點(diǎn)、鋼絞線下側(cè)位置。布置的位置選擇在鞍座編號(hào)為AN18右側(cè)、AW18右側(cè)，在這2個(gè)位置每個(gè)斷面布置4個(gè)分絲管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布置8個(gè)內(nèi)視測(cè)點(diǎn)。設(shè)備在管內(nèi)的安放位置及可見(jiàn)區(qū)域如圖10所示。

圖10 內(nèi)視探頭的安裝位置

4 環(huán)境及其它指標(biāo)監(jiān)測(cè)

4.1 結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)

為了獲得結(jié)構(gòu)主梁和主塔溫度場(chǎng)的分布，建立溫度荷載模型，滿足結(jié)構(gòu)溫度荷載監(jiān)測(cè)需求，選擇主跨跨中斷面和Z3主塔斷面，詳細(xì)監(jiān)測(cè)鋼箱梁截面和主塔截面溫度梯度分布。

箱梁斷面的溫度測(cè)試布置如圖11所示。其中2個(gè)為有鋪裝測(cè)試斷面3個(gè)為無(wú)鋪裝測(cè)試斷面，有鋪裝測(cè)試斷面布置有6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)無(wú)鋪裝測(cè)試斷面布置有5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，整個(gè)主跨跨中監(jiān)測(cè)斷面共54個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

圖11 結(jié)構(gòu)溫度測(cè)點(diǎn)布置

主塔監(jiān)測(cè)斷面全斷面布置溫度測(cè)點(diǎn)24個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。

圖12 主塔結(jié)構(gòu)溫度測(cè)點(diǎn)布置

4.2 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)

風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)主要滿足風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)需求，測(cè)點(diǎn)選擇在橋面兩側(cè)、塔頂、拱頂，其安裝位置盡可能地監(jiān)測(cè)到自由場(chǎng)風(fēng)速和風(fēng)向。本橋在Z3、Z4塔頂各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（雙向風(fēng)速監(jiān)測(cè)），主跨跨中上、下游兩側(cè)各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（三向風(fēng)速監(jiān)測(cè)），邊跨跨中上、下游兩側(cè)各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)（三向風(fēng)速監(jiān)測(cè)），全橋共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4.3 車輛荷載及其他監(jiān)測(cè)

為滿足橋梁車輛荷載監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，選定在北引橋N278墩墩頂截面，該截面振動(dòng)較小，混凝土結(jié)構(gòu)鋪裝層內(nèi)裝有稱重采集系統(tǒng)，車道上方裝有抓拍系統(tǒng)，覆蓋6道行車道。

大氣溫濕度監(jiān)測(cè)與橋面風(fēng)速風(fēng)向測(cè)點(diǎn)同步布置、共用安裝支架，在主跨跨中共1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

箱梁溫濕度監(jiān)測(cè)選擇邊跨跨中、主跨跨中共3個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置2個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)箱梁內(nèi)部溫濕度情況，全橋共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

在2個(gè)主塔底部各安裝1個(gè)強(qiáng)震儀，在北岸N278橋墩基礎(chǔ)附近安裝1個(gè)強(qiáng)震儀，全橋共3個(gè)強(qiáng)震儀測(cè)點(diǎn)；監(jiān)測(cè)可能的船舶撞擊、地震作用下的橋梁基礎(chǔ)及地面震動(dòng)情況。

5 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及組成

5.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)匯總

基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長(zhǎng)江公路二橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)高度集成化的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有大量的自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)。所有監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置總圖及測(cè)點(diǎn)匯總表見(jiàn)圖13及表3。

5.2 系統(tǒng)主要功能和組成

結(jié)合蕪湖長(zhǎng)江公路二橋本身結(jié)構(gòu)功能需求，以及大橋預(yù)警、評(píng)估和管養(yǎng)決策方面的需求，蕪湖長(zhǎng)江公路二橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由下列6大子系統(tǒng)構(gòu)成：傳感器子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)；健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)；用戶界面子系統(tǒng)；橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)。

①傳感器子系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的荷載(包括環(huán)境因素)及響應(yīng)，能夠向健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)提供數(shù)量和精度都滿足要求的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)對(duì)各類傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將采集信號(hào)通過(guò)專用線纜(或光纜)或無(wú)線方式傳送至采集站，為數(shù)據(jù)分析和安全評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

③用戶界面子系統(tǒng)通過(guò)該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按需求向用戶展示，并且接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入。通過(guò)建立在監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器上的，基于B/S架構(gòu)的一系列可視化軟件組件，向監(jiān)控中心現(xiàn)場(chǎng)操作人員以及授權(quán)的遠(yuǎn)程客戶端用戶提供友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)便捷的系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)立體查詢和在線分析。

圖13 自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)布置總圖

④數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)采集計(jì)算機(jī)組成。子系統(tǒng)通過(guò)專用以太網(wǎng)和RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、并控制安裝在外場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集模塊和解調(diào)設(shè)備。對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行收集、處理、分析、顯示、歸檔和存儲(chǔ)，將經(jīng)過(guò)處理和分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到結(jié)構(gòu)安全評(píng)估系統(tǒng)服務(wù)器，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估和產(chǎn)生監(jiān)測(cè)/評(píng)估報(bào)告。

自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)匯總表 表3

⑤健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)通過(guò)荷載輸入和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁整體及關(guān)鍵部件的安全狀況進(jìn)行評(píng)估，判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，是否即將達(dá)到或超越服役極限狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要變化及橋梁出現(xiàn)不安全征兆時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提供報(bào)警信號(hào)，提醒管養(yǎng)人員關(guān)注結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全狀況，及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，保障結(jié)構(gòu)健康正常運(yùn)行。

⑥橋梁數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)，為日后大橋長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的巡檢管養(yǎng)工作提供電子化數(shù)據(jù)接口和管養(yǎng)決策、計(jì)劃指導(dǎo)。該系統(tǒng)的功能模塊包括：巡檢管養(yǎng)工作信息綜合發(fā)布模塊；系統(tǒng)管理模塊；橋梁檔案管理模塊；基礎(chǔ)信息管理模塊；技術(shù)狀況評(píng)估與決策模塊；養(yǎng)護(hù)計(jì)劃管理模塊；養(yǎng)護(hù)維修管理模塊；自動(dòng)報(bào)告報(bào)表模塊。

6 結(jié) 語(yǔ)

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋發(fā)展了斜拉索回轉(zhuǎn)錨固體系、分肢柱式塔和四索面分體式鋼箱梁等一系列新技術(shù)。需要對(duì)該橋進(jìn)行運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取橋梁健康狀況的實(shí)時(shí)特征信息，提供大橋養(yǎng)護(hù)管理的技術(shù)依據(jù)，對(duì)橋梁的安全可靠性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)對(duì)蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，對(duì)橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，得到的主要結(jié)論有：

①針對(duì)該橋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)解析和功能需求，確定了分體式寬箱梁、分肢柱式塔以及同向回轉(zhuǎn)斜拉索體系的三大橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

②根據(jù)結(jié)構(gòu)解析和功能需求分析，確定了橋梁重要結(jié)構(gòu)部分、環(huán)境條件及其他因素的監(jiān)測(cè)指標(biāo)；

③基于結(jié)構(gòu)功能需求的蕪湖長(zhǎng)江公路二橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)，減少了傳感器的安裝數(shù)量，同時(shí)，也可以為其長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)提供有力保障。