鵝公巖軌道懸索橋健康監測傳感器測點優化布置

李正浩

（重慶交通大學土木工程學院，重慶400074）

在橋梁結構的模型試驗、現場檢測和長期健康監測中，有關測試傳感器在結構中的優化布置問題已越來越受到人們的重視。為了確保檢測系統的測試和辨識結果的準確性和正確性，進行傳感器的最優數目選擇和測點定位優化設計是必要的[1]。考慮到橋梁監測系統中的經濟性，對傳感器的安裝數量總是把控在一定范圍以內。因此，如何從有限測點內采集到有效、更能反映橋梁真實狀態的數據，是大跨度橋梁健康監測的關鍵技術之一。

1 測點布置依據

從理論上來說，結構健康監測系統的傳感器越多，對結構的靜力和動力特性反映結果也就越精確，但考慮到傳感器以及傳輸和接收設備等的費用，一般只能使用有限數量的傳感器。所以，如何兼顧有效性和經濟性，即用最少的傳感器獲取橋梁較為全面、準確的結構參數信息[2]。

鵝公巖軌道懸索橋結構安全健康監測系統傳感器測點布置主要根據：運用有限元軟件建立全橋模型并分析其靜力特性，進而得出在各荷載組合工況下的主梁豎向位移、應力、索力的變化趨勢，找出主梁豎向位移、主梁應力、索力等極值或最值點，結合各類結構構件在橋梁結構安全中的重要性和傳統經驗布置方案，確定出鵝公巖軌道懸索橋靜力特性豎向位移、應力、索力傳感器的測點位置。

2 工程概況

鵝公巖軌道專用橋位于既有鵝公巖長江大橋上游約45m（邊緣）。橋梁起點樁號YDK39+589.429，終點樁號YDK41+239.929，大橋全長1650.5m。大橋采用與既有大橋對孔布置的橋型方案，主橋采用600m 主跨自錨式懸索橋方案，主橋跨徑組合為50+210+600+210+50=1120m，共5 跨。西邊跨連接于P13 塔，東邊跨連接于P14 塔。橋面寬度22m。主梁為鋼梁- 混凝土梁混合結構，主墩為鋼筋混凝土結構。

3 靜力有限元模型分析

3.1 計算荷載及荷載組合

3.1.1 計算荷載

（1）恒載

①結構自重：混凝土容重取25KN/m3；鋼材容重取78.5 KN/m3。

②二期恒載：人行道及欄桿重量14 KN/m；防撞護欄12 KN/m；計入軌道、通信、信號、照明、消防等專業荷載后，全橋按100KN/m 計算二期恒載。

③預應力：錨下張拉控制應力：σcon=0.75fpkσcon=0.75fpk；松弛率ρ=0.035ρ=0.035，松弛系數ζ=0.3ζ=0.3；錨具回彈按單端6mm 計；金屬波紋管：μ=0.25μ=0.25，k=0.0015k=0.0015。

④混凝土收縮及徐變；按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算；徐變齡期取20 年。

（2）活載

①列車豎向靜活載：兩線軌道，8 節編組，軸重150KN，不考慮折減。

②列車豎向動力作用：列車豎向活載包括列車動力作用，該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數。（1+μ）（1+μ） 動 力 系 數 為：（1+μ）=1+2840+600x0.8=1.035（1+μ）=1+2840+600x0.8=1.035。

③列車橫向搖擺力：按相鄰兩節車四個軸重的15%計，取值為150×4×15%=90KN。

④人群荷載：取2.5KN/m2。

3.1.2 荷載組合

本文依據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》和《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》對結構構件的驗算要求，根據《鐵路橋涵設計基本規范》對設計荷載進行荷載組合，分為主力組合和主力加附加力組合兩種。在設計荷載組合工況時，軌道橋僅考慮主力與一個方向（順橋或橫橋方向）的附加力相結合。

3.2 結構有限元模型

為了有效分析橋梁結構的受力狀況，鵝公巖軌道懸索橋計算分析采用Midas/civil（2019 版）平面有限元分析軟件。

4 鵝公巖軌道懸索橋傳感器優化布置

目前，對于健康監測系統的傳感器布置，往往是按照以往經驗的常規布置，但是實際中對于每座具體橋梁的有限測點布設位置是不一樣的。鵝公巖軌道懸索橋長期健康監測系統包含主梁位移、應力，索力監測。大橋靜力分析采用Midas/civil 有限元分析軟件，從而得到橋梁在運營期間的受力狀況，根據受力特點來設計傳感器的布置方案。

4.1 位移傳感器的優化布置

大橋在運營期間主梁因荷載作用使梁體產生撓曲變形，較大的撓曲變形量會對橋梁的正常使用性造成較大的影響。所以，為了確保橋梁在各種荷載作用下的正常使用，對橋梁各控制截面的位移變形進行實時監測是必要的。本文采用Midas/civil 有限元軟件建立鵝公巖軌道懸索橋模型，通過模型分析得出在各種典型荷載組合作用下的主梁豎向位移圖，如圖1。

圖1 各組合荷載下主梁豎向位移沿縱橋向分布圖

在各種荷載組合情況，橋梁存在縱向位移、豎向位移和橫向位移，其中主梁的豎向位移是這三種位移量中數量級較大的，當豎向位移量過大時，對軌道懸索橋在通車時的使用性能影響明顯。因此，在橋梁健康監測位移的監控中，重點關注豎向位移的監測。從模型得出在各典型荷載組合作用下，產生主梁的豎向位移最大值的荷載組合為組合II，從組合II 可以看出存在7個極值點。大致位于橋縱向邊跨L/2 和中跨L/4、L/2 和3L/4 處。考慮Midas 計算結果和傳統經驗，得到鵝公巖軌道專用橋主梁豎向撓度監測截面選擇為：A、主橋中跨：L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4 及7L/8；B、主橋邊跨：L/4、L/2 及3L/4。

4.2 應力傳感器的優化布置

監測應力的目的在于通過對結構的控制部位和重點部位內力的監測，研究結構的內力分布、局部結構及連結處在各種載荷下的響應，為結構損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結構狀態評估提供依據。

圖2 各組合荷載下主梁上緣、下緣應力沿縱橋向分布圖

由圖2 看出，橋梁始終在受壓狀態，主梁應力最大的荷載組合為組合II，但并未超出鋼梁的容許值。應力監測點應布置在應力最大值截面處（100m，910m）處，即大致邊跨L/2 處（105m、915m）應布置應力傳感器。主橋鋼箱梁為全焊結構，焊縫處受力情況較為復雜，且均在受壓狀態，因此根據傳統經驗把主梁應力監測截面選擇為：A、主橋中跨：根部、L/4、L/2 及3L/4；B、主橋邊跨：根部、L/2 及結合段。

4.3 索力傳感器的優化布置

吊桿是懸索橋的重要組成部分，必須具備抗疲勞性能、耐久性和良好的抗腐蝕性，吊桿拉力的變化直接反映橋梁結構受力狀態的變化。通過對索力的監測，不僅能為從總體上評估大橋的安全性和耐久性提供依據，同時也能檢測鋼索的錨固系統和防護系統是否完好、鋼索是否銹蝕等。鵝公巖軌道專用橋吊索索力監測擬采用錨索計，吊索索力在各種典型荷載組合下的對比如下圖3。兩邊吊索情況一樣，所以只列出了1-61 號單元。

圖3 各組合荷載下索力沿縱橋向分布圖

從圖3 中可以看出對于吊索的拉力，在組合II 時最大。在各荷載組合下第一根吊索（單元號1）的拉力最大，以橋的跨中劃分，左半跨橋在單元5，8，11，18，21 處存在吊桿拉力的極值點，這些索力變化的轉折點對吊索索力影響較大，應布置索力傳感器。最后確定鵝公巖軌道懸索橋的索力測點布置，全橋共布置16 個索力測點，具體方案如下圖4：

圖4 索力傳感器測點布置圖

5 結論

本文根據鵝公巖軌道懸索橋的靜力監測內容，采用Midas/civil 軟件建立鵝公巖軌道懸索橋的有限元模型，從模型得出在各種荷載組合作用下豎向位移、應力和索力的變化趨勢，得出在各荷載作用下各參數的最值或極值測點，綜合考慮各構件在橋梁結構安全中的重要性和監測項目的經濟性，確定出鵝公巖軌道懸索橋豎向位移、應力和索力測點傳感器的優化方案。