大跨徑混凝土梁橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工程示例

朱衛(wèi)國(guó)+嚴(yán)圣友

摘 要：文章基于依托工程，從監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)處理方法、評(píng)估與預(yù)警等方面對(duì)其建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要敘述了依托工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與預(yù)警方法，可為大跨徑混凝土梁橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提供示范作用。

關(guān)鍵詞：大跨徑混凝土梁橋；長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理；評(píng)估；預(yù)警

1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

本文依托工程鐘秀大橋主橋位于江蘇省南通市，主橋是三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為（60+100+60）m，跨中截面高260cm，墩頂高550cm，采用懸臂澆筑法施工，上部結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)鐘秀大橋主橋主梁應(yīng)力、主梁撓度、主梁動(dòng)力特性、溫度、支座反力以及車(chē)輛荷載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、主梁撓度、主梁動(dòng)力特性以及環(huán)境溫度的測(cè)點(diǎn)斷面位置見(jiàn)圖2所示。圖中傳感器編號(hào)為：截面-監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)目，其中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為：Y-應(yīng)力；N-撓度；D-動(dòng)力。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)在截面上的具體布置，根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面的不同而不同，如圖3所示。其中圖3（a）所示為鐘秀大橋各跨墩頂1/4L截面的測(cè)點(diǎn)布置示意圖，圖3（b）所示為中跨跨中截面、邊跨端部1/4L截面的測(cè)點(diǎn)布置示意圖，圖3（c）所示為墩頂截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

鐘秀大橋主橋主梁應(yīng)力可采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如HC-1100型號(hào)應(yīng)變計(jì)，為表面式應(yīng)變計(jì)。鐘秀大橋主橋縱向坡度為2.5%，跨中離橋臺(tái)位置距離110m，主梁在橋臺(tái)與中跨跨中高差相差過(guò)大（11000×0.025=275cm>260cm），需設(shè)置多套獨(dú)立的連通管系統(tǒng)。根據(jù)圖2所示，撓度監(jiān)測(cè)斷面共有端部截面（2個(gè)）、邊跨墩頂2/3截面（2個(gè)）、墩頂截面（2個(gè)）、中跨1/4截面（2個(gè)）、中跨跨中截面（1個(gè)）。經(jīng)過(guò)試算后，需對(duì)其設(shè)置3套連通管系統(tǒng)，以完成對(duì)上述9個(gè)截面的撓度測(cè)量。其中邊跨測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)系統(tǒng)，即A、C、F或J、L、M，中跨測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)測(cè)點(diǎn)，即F、G、H、I、J，其中F、J斷面測(cè)點(diǎn)具有轉(zhuǎn)點(diǎn)作用，需在這兩個(gè)斷面上安裝兩個(gè)靜力水準(zhǔn)儀。3個(gè)撓度連通管系統(tǒng)通過(guò)墩頂截面（即F、J截面）進(jìn)行換算，進(jìn)而可得各截面撓度值。為減小誤差，相鄰截面的靜力水準(zhǔn)儀分別放置主梁左、右腹板內(nèi)側(cè)，如圖4所示，其中d值可見(jiàn)表1所示。d值的計(jì)算為：d=截面高度-距頂板距離-底板厚度，其中距頂板距離是指靜力水準(zhǔn)儀與頂板上緣的距離，該值并不固定，主要是考慮靜力水準(zhǔn)儀能否在箱梁內(nèi)安裝在同一水平高度線(xiàn)上。

鐘秀大橋主橋動(dòng)力監(jiān)測(cè)可采用伺服式加速度計(jì)，動(dòng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)位置可安裝固定于箱室內(nèi)部底板部位。

橋址處環(huán)境溫度，可采用HMP45D型溫濕一體化傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可置于墩頂部位頂板下緣位置或橋頭某處位置。橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，則通過(guò)對(duì)每個(gè)應(yīng)變傳感器內(nèi)嵌熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)于支座反力，可在每個(gè)支座處安裝反力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于車(chē)輛荷載，可在橋頭部位安裝動(dòng)態(tài)地磅進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心模塊，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)輸出的各類(lèi)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與轉(zhuǎn)換、誤差消除、統(tǒng)計(jì)分析等，同時(shí)也將處理得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中歸檔存儲(chǔ)，以及傳輸?shù)皆u(píng)估預(yù)警系統(tǒng)中查看是否引起警報(bào)。

3 評(píng)估與預(yù)警方法

3.1 綜合評(píng)估

鐘秀大橋主橋可采用基于層次分析法的變權(quán)綜合評(píng)估法進(jìn)行評(píng)估，其評(píng)估指標(biāo)可見(jiàn)圖6所示。

3.2 預(yù)警設(shè)置

在計(jì)算時(shí)，需考慮的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、汽車(chē)荷載、收縮徐變以及溫度作用。溫度作用可分為截面梯度作用與系統(tǒng)溫度作用。對(duì)于汽車(chē)荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在Midas/Civil中對(duì)其設(shè)置3車(chē)道。溫度作用按規(guī)范進(jìn)行設(shè)置。在上述荷載中，結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力以及收縮徐變對(duì)于各點(diǎn)應(yīng)力的效應(yīng)都是恒定的。而汽車(chē)荷載及溫度作用所產(chǎn)生的效應(yīng)值是變化的，對(duì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力可正可負(fù)（汽車(chē)荷載布置于不同跨，溫度變化可正可負(fù)）。

如圖7所示，為鐘秀大橋主橋在成橋1年時(shí)，全跨范圍內(nèi)各截面頂、底板邊緣位置，在上述荷載中的應(yīng)力最大值與最小值示意圖。其中溫度荷載只取其梯度溫度效應(yīng)（橋梁縱向靜定，系統(tǒng)溫度效應(yīng)很?。?。圖中所示應(yīng)力最大或最小值，即為預(yù)警的安全閥值，即為紅色警報(bào)值，將其乘以0.8即可得黃色警報(bào)值。中跨跨中頂、底板邊緣位置的應(yīng)力警報(bào)值如表2所示，其他截面的應(yīng)力預(yù)警閥值類(lèi)似計(jì)算。

撓度的預(yù)警閥值求解過(guò)程類(lèi)似，所需考慮的荷載是汽車(chē)荷載、溫度作用。其中溫度作用只考慮其系統(tǒng)溫度作用（梯度作用影響很?。D8所示為結(jié)構(gòu)在汽車(chē)荷載以及溫度作用下的撓度變化值。其最大值或最小值即為結(jié)構(gòu)撓度安全閥值，也即為紅色警報(bào)值，將其乘以0.8即得黃色警報(bào)值。中跨跨中截面的撓度警報(bào)值可見(jiàn)表3所示。

4 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)總體框架

鐘秀大橋主橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)總體框架，可以由傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析、結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析、綜合狀況評(píng)估與預(yù)警以及數(shù)據(jù)管理等部分組成，如圖9所示。

傳感器系統(tǒng)是利用相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，根據(jù)前述方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布設(shè)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的如應(yīng)力、撓度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行收集，并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析后，將不同時(shí)間段上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，可對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況有一定的了解。同時(shí)結(jié)合橋梁綜合狀況評(píng)估以及預(yù)警分析，可較為準(zhǔn)確的把握橋梁健康狀況，并可對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)維修提供建議。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程在運(yùn)行中所產(chǎn)生的全部原始數(shù)據(jù)（頻率、液位變化等）及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形、振型、溫度等），需要通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行備份長(zhǎng)期儲(chǔ)存，以備統(tǒng)計(jì)分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)課題依托工程——鐘秀大橋主橋，從監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)處理方法以及評(píng)估預(yù)警等三個(gè)方面敘述了建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的過(guò)程，其中對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及預(yù)警進(jìn)行了主要敘述。該方法具有針對(duì)性和經(jīng)濟(jì)性，可以為這類(lèi)橋梁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供指導(dǎo)作用。

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