武漢天興洲大橋公路橋加速度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

韓靈杰 尚亞瓊 寧 強(qiáng)

（1.鄭州科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院建筑與測(cè)繪工程系，河南 鄭州 451400；3.江蘇法爾勝光電科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214400）

目前，國(guó)內(nèi)外新建的大跨度橋梁一般都在大橋建筑中安裝了包括振動(dòng)測(cè)試傳感器在內(nèi)的各種傳感器，用于大橋?qū)崟r(shí)或定期地進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，而動(dòng)力監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重要組成部分。基于動(dòng)力監(jiān)測(cè)的大橋健康監(jiān)測(cè)主要包括4個(gè)階段:①對(duì)完整結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)載測(cè)試。②利用動(dòng)載測(cè)試的結(jié)果，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正，建立一個(gè)比較準(zhǔn)確的有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型。③對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)與識(shí)別。④對(duì)大橋結(jié)構(gòu)安全性、可靠性評(píng)估。其中第3階段則是損傷檢測(cè)的核心部分，主要了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否發(fā)生變化（是否出現(xiàn)損傷），如有損傷，要求識(shí)別其損傷位置（類型）、損傷嚴(yán)重性（程度）等。因此一般的大跨橋梁都要求在其使用過(guò)程中進(jìn)行長(zhǎng)期的在線檢測(cè)或定期檢測(cè)［1］。

1 工程概況

武漢天興洲長(zhǎng)江大橋位于武漢長(zhǎng)江二橋下游10公里處，北起漢口平安鋪，南止武昌武青主干道。該橋總長(zhǎng)度為9.3km，其中主橋長(zhǎng)4 657m，主跨504m，是世界上最大跨度的公路鐵路兩用斜拉橋［2］。天興洲大橋公路橋主要采用的是大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，為掌握武漢天興洲長(zhǎng)江大橋在運(yùn)營(yíng)階段的固有振動(dòng)特性的狀況及變化，監(jiān)測(cè)車輛荷載（或環(huán)境）激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并論證其抗震性能，按照實(shí)施細(xì)則及專家意見(jiàn)，選擇了連續(xù)梁64#墩、65#墩梁端開(kāi)展加速度動(dòng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。

2 監(jiān)測(cè)方法

橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用電磁類振動(dòng)傳感器，這類傳感器用于現(xiàn)場(chǎng)短期檢測(cè)，可以滿足應(yīng)用要求。但用于橋梁的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)還存在問(wèn)題。主要是因?yàn)檫@類傳感器的輸出信號(hào)一般為電荷信號(hào)或模擬電壓信號(hào)，信號(hào)傳輸損耗大，傳輸距離在300m以內(nèi)。為了把信號(hào)傳輸?shù)骄嚯x橋梁現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)（一般在2km以上）的控制室，通常要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立采集站，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，處理結(jié)果再通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行顯示和監(jiān)測(cè)。加之現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并不適合電子設(shè)備儀表的長(zhǎng)期工作，出現(xiàn)故障的概率很高，維護(hù)困難，成本高，系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性很差，因而電磁類振動(dòng)傳感器的應(yīng)用受到了極大限制。而光纖光柵加速度傳感器是利用光纖光柵的應(yīng)變傳感機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量，用光的波長(zhǎng)變化測(cè)量加速度值，并用光纖來(lái)傳感、傳輸信號(hào)。集測(cè)量、傳輸于一體，具有信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、不受電磁干擾、容易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，設(shè)計(jì)的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵加速度傳感器，采用了匹配光柵濾波解調(diào)技術(shù)，很好地解決了溫度對(duì)測(cè)量的影響［3-4］。

3 位移測(cè)試

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

公路橋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在64#墩與65#墩跨中布置了一個(gè)監(jiān)測(cè)截面，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，其中4個(gè)豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，2個(gè)橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)（V2和V5）。

圖1 公路橋動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)布置圖

天興洲大橋動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、解調(diào)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)完成初次調(diào)試后，對(duì)部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了一段時(shí)間的測(cè)試，下圖2、圖3為對(duì)公路橋上游測(cè)點(diǎn)測(cè)試的結(jié)果。

①通過(guò)與橋面交通監(jiān)控視頻對(duì)照發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)截面無(wú)車通過(guò)時(shí)，振動(dòng)波形和頻譜的幅值很小，甚至被噪聲信號(hào)淹沒(méi)，但有車輛通過(guò)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)，而且車輛荷載越大，振動(dòng)信號(hào)越強(qiáng)，監(jiān)測(cè)到的最大振動(dòng)加速度約0.02ms-2。

圖2 公路橋上游測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形

圖3 公路橋上游測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜

②在車輛激振下，可以測(cè)到橋梁的豎向和橫向振動(dòng)頻率，豎向頻率約為1.36Hz，橫向頻率約為2.14Hz，各豎向測(cè)點(diǎn)基本一致，橫向測(cè)點(diǎn)也一致，豎向振動(dòng)幅值大于橫向，這與該橋的理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的樞紐工程，是生命線工程。通過(guò)動(dòng)力加速度監(jiān)測(cè)，可及時(shí)判斷大橋在地震和風(fēng)震作用下的使用狀況，為管理部門決策提供重要依據(jù)。

［1］李愛(ài)群，繆長(zhǎng)青.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］秦順全.武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.工程力學(xué)，2008，25（增刊II）:99-105.

［3］李愛(ài)群，周廣東.光纖Bragg光柵傳感器測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39（6）:1298-1314.

［4］陳飚.面向物聯(lián)網(wǎng)和光纖傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［5］胡軍，荊岳大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012.