基于健康監(jiān)測的鋼桁架橋低烈度地震響應研究

錢若霖，何啟龍，蘇佩

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 土木工程學院，陜西 咸陽 712000；2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，江蘇 南京 210061)

目標橋梁安裝多種類型的傳感器組成傳感網(wǎng)絡，可實時監(jiān)測橋梁運營期特定位置的響應信號，并通過對采集的數(shù)據(jù)進行分類研究，可為傳感器故障[1]、橋梁地震響應[2]、超活荷載通行[3]、臺風[4]等特殊事件的結構響應分析提供參考資料。在工程實際中，與日常結構響應相比，橋梁的高烈度地震響應數(shù)量級非常明顯，可依靠多種類型傳感器有效地識別；但對于低烈度[5]地震響應，因其水平加速度峰值偏低，易被活荷載響應掩蓋，無法有效地區(qū)分活荷載和低烈度地震響應。

目前，基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的地震響應分析，主要針對強震響應的監(jiān)控與預警值分析，如珠江黃埔大橋[6]、Hakucho Suspension 橋[7]等，以及結構抗震安全性分析，如港珠澳大橋[8]、上海長江隧橋[9]等；在低烈度地震響應下，鋼桁架橋雖具有良好的抗震性能，但局部也會發(fā)生輕微變形甚至塑性損傷，若未及時監(jiān)測到并維修養(yǎng)護，會對橋梁的整體承載能力造成影響，因此對鋼桁架橋?qū)嵭薪】当O(jiān)測并針對其低烈度地震響應展開研究同樣具有一定工程意義。

本文依托重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，對2019年6月17—18日宜賓地震對應的橋梁結構響應進行分析，提取出可有效識別低烈度地震響應的傳感器類型及其數(shù)據(jù)特征。

1 橋梁概況

依托橋梁位于重慶市，為鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋，與地震震源直線距離約210 km。該橋于1958年開工建設，1966年1月建成通車，2019年完成橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架設與試運營。橋梁結構如圖1所示，正橋跨徑組合為68 m+80 m+88 m+80 m+68 m，正橋第1、3、5 孔為掛梁，長48 m；第2、4 孔為鋼梁T構，長120 m。其中兩端懸臂長度為20 m。掛梁與T梁間采用鉸軸連接，掛梁為平行弦三角形體系，桁高6.2 m，節(jié)間長度4 m。T梁在橋墩支座處設有加勁弦桿，支座至下弦桿高度為9 m。

圖1 橋梁總體布置圖

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)概況

該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)于2018年施工，2019年按計劃完成傳感器鋪設和系統(tǒng)調(diào)試，并順利完成試運營分析。該系統(tǒng)由自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲與管理、安全預警與狀態(tài)評估、用戶界面等四個子系統(tǒng)構成，可實時獲取橋址環(huán)境荷載源、結構響應、航道等信息,見表1，并用于實時監(jiān)測橋梁的結構狀態(tài)，在橋梁結構出現(xiàn)異常狀況的初級階段發(fā)出預警，輔助管養(yǎng)人員實現(xiàn)主動預防式管養(yǎng)，避免結構進一步劣化，降低橋梁災害性事故發(fā)生的概率。

表1 健康監(jiān)測項目及測點位置信息表

本文依托已建成的健康監(jiān)測系統(tǒng)，對鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋的低烈度地震響應進行研究，文中采用的部分傳感器位置示意如圖2和圖3所示，傳感器采樣頻率及編號形式見表 2(注：XX表示截面，YY表示該截面的傳感器序號)。

圖2 部分測點布置立面示意圖

圖3 部分測點布置橫截面示意圖

表2 部分測點傳感器參數(shù)表

3 地震響應情況

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)公布資料，2019年6月17日晚四川省宜賓市發(fā)生多次5.0級以上地震，直線距離約210公里的重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋有明顯震感，空間距離如圖4所示，地震傳播方向與橋梁走向大約相交85°。

圖4 震源與依托橋梁的空間距離示意圖

依托橋梁17—18日(2019年6月，下同)的橋墩墩頂?shù)卣饍x在水平方向均存在加速度值突變，以1#墩(左次邊墩，見圖 3)為例，其兩天時程如圖5所示：17日22∶33左右，X方向(橋梁縱向)和Y方向(橋梁橫向)同時出現(xiàn)極大值，分別為7.6 mg和4.6 mg，且遠大于活荷載響應峰值；結合地震臺統(tǒng)計，判定17日22∶33(邊框標注)的異常值為地震響應。結合極大值出現(xiàn)時間，地震抵達橋梁時間如表3所示(表3中序號在下文表示地震抵達次序)。

圖5 17—18日左邊跨墩頂加速度水平時程圖

表3 17—18日宜賓市地震信息表(5.0級以上)

由上述圖表可知：該橋在宜賓5.0級以上的地震響應中，最明顯的地震響應為地震①；X方向最大峰值7.6 mg，為低烈度地震響應,由地震①引起，其他地震響為2.8 mg、1.9 mg，低于活荷載響應X方向峰值眾數(shù)4.0mg，無法區(qū)分；Y方向最大峰值4.6 mg,亦由地震①引起，其他地震響應峰值為1.0 mg、1.0 mg，低于活荷載響應Y方向峰值眾數(shù)1.1 mg,區(qū)分困難；即依靠橋墩頂加速度傳感器，可有效監(jiān)測類似宜賓6.0級以上的地震響應。

以地震①為例對橋墩水平加速度響應峰值分析，如表4所示，最大水平加速度值為7.6 mg,低于烈度6度(15 mg)要求，為低烈度地震響應；其中活荷載響應峰值為扣除地震響應的17—18日最大峰值，X表示橋梁縱向，Y表示橋梁橫向。

根據(jù)該橋設計：地震動參數(shù)選取為“中、大震分別取50年超越概率10%和50年超越概率3%的概率水準下的水平向的基巖峰值加速度：136.5 mg和233.3 mg”。參照表4，記錄的水平加速度峰值(小于10 mg)，可知本次地震對大橋結構安全的影響較小。

表4 地震加速度峰值和活荷載加速度峰值對比(地震①)

仔細比較和分析該橋結構在地震前后10 min的各類響應數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)捕捉到了地震作用下的結構響應，由于烈度小(低于6.0度)，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量級異常情況，表明宜賓地震響應對該橋結構未造成大的影響，仍處于安全受控狀態(tài)。為了和活荷載效應區(qū)分，該橋當?shù)卣饎覺、Y方向監(jiān)測到的最大峰值超過活荷載峰值的眾數(shù)4倍，可用于判斷該橋梁承受了地震沖擊。

4 結構地震響應分析

4.1 主梁加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

該橋鋼桁縱梁在固定鉸及跨中處安裝了豎向加速度傳感器,采樣頻率設為200 Hz。當鋼桁架梁橋受到低烈度地震影響時，選取地震①前后10 min進行時程分析(時間區(qū)間22∶55—23∶05)，部分加速度傳感器地震響應峰值和活荷載響應峰值對比如表5所示，左次邊跨(JSD-05-01)和中跨跨中(JSD-07-01)的10 min加速度時程如圖6所示，其中方框表示地震①抵達時該橋的地震響應。結合地震①的豎向加速度峰值分析：從變化規(guī)律的角度分析，橋梁結構左右對稱部分的加速度峰值增大比率相反，但絕對值大致相同；從數(shù)值變化的角度分析，宜賓6.0級以上地震的結構響應與活荷載響應的峰值差異不顯著，僅依靠豎向加速度傳感器進行區(qū)分，易與活荷載響應混淆，單獨應用于低烈度地震響應判斷困難。

表5 10 min主梁部分豎向加速度傳感器峰值對比

圖6 10 min 主梁豎向加速度時程圖

4.2 伸縮縫位移監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

該橋位移傳感器為磁致位移計，位于主橋兩側的伸縮縫，17—18日主橋右側的位移傳感器(WY-13-02)時程如圖7所示(圖中框選為地震①的位移變化)。

圖7 17—18日伸縮縫水平位移時程圖

從兩天時程圖中，地震①的伸縮縫寬度突變情況進行分析，伸縮縫在低烈度地震下的影響不大。提取該時段內(nèi)10 min時程圖，見圖8：地震①抵達該橋后，引起伸縮縫收縮，并持續(xù)穩(wěn)定一段時間；在地震荷載的作用下，該橋一側伸縮縫縮小0.2 mm，單次活荷載引起的最大伸縮縫變形為0.32 mm，因此伸縮縫位移監(jiān)測無法用于分辨低烈度地震與活荷載的影響。

圖8 2 min 伸縮縫水平位移時程圖(地震①)

4.3 橋墩傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

該橋橋墩傾角監(jiān)測采用傾角儀，布設在橋墩的墩頂中心線處，17—18 日左邊墩傾角傳感器(QJY-01-01)時程如圖9所示。

圖9 17—18日左邊墩傾角傳感器時程圖

X方向(橫橋向)的橋墩剛度較大，單次活荷載響應不明顯，但圖中傾角峰值均對應宜賓三次5.0以上地震，三次峰值分別為8.2 ‰rad、0.03‰rad、1.9‰rad；Y方向(縱橋向)地震①的傾角峰值為4.0‰rad，單次活荷載響應最大峰值為3.8‰rad，差異不顯著；即從峰值角度分析，橫橋向橋墩傾角可有效用于識別地震特殊事件；縱橋向受到活荷載效應干擾嚴重，不易識別。

4.4 主梁線形監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

該橋主梁線形監(jiān)測采用壓差位移計，布設在固定鉸和跨中處，17—18 日左邊跨跨中撓度傳感器(ND-05-01)時程(去除趨勢項，即不考慮溫度影響)如圖10所示：圖中兩個峰值60.9 mm和22.1 mm分別對應地震①、②的響應，與地震②相似震級的地震③豎向撓度傳感器無法識別，故針對宜賓地震，即豎向位移監(jiān)測可有效區(qū)別類似宜賓6.0級以上地震響應；對于5.0 ～ 6.0 級地震識別效果并不理想，需結合其他傳感器數(shù)據(jù)綜合判斷。

圖10 17—18日左邊跨跨中撓度傳感器時程圖(去除趨勢項)

對于宜賓地震，傳感器地震效應峰值與日常(含活荷載響應)變化值如表6所示。結合地震①、②與活荷載響應峰值的倍率為1.9～11.0，當所有撓度傳感器響應變化值超過活荷載響應峰值的2倍時，可結合其他傳感器進行綜合判斷；當所有撓度傳感器響應變化值超過活荷載響應峰值的6倍時，僅通過豎向撓度傳感器就可證明橋梁結構承受了地震沖擊。

表6 10 min主梁撓度傳感器峰值對比

4.5 鋼桁梁應變監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析

該橋在正交異性橋面板位置安裝了16個光纖光柵應變傳感器，根據(jù)2天的應變時程圖分析，該傳感器類型無法用于識別低烈度地震響應。以地震①和左邊跨跨中應變(DYB-12-01)為例，其2 min 鋼結構應變時程見圖11，低烈度下的地震響應被活荷載掩蓋，無法提取鋼桁梁雙懸臂橋主桁梁在低烈度地震下的應變特征。

圖11 2 min 鋼結構應變時程圖(地震①)

5 結論

重慶市某鉚合鋼桁架雙懸臂公路橋健康監(jiān)測系統(tǒng)在6.17宜賓地震期間，及時捕捉到這一信息，并記錄了此時結構的低烈度地震響應。

(1)由于地震能量的衰減，經(jīng)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，各項參數(shù)在震后以較快速度回到正常變化趨勢，本次地震對該橋結構安全和正常使用不構成威脅，可以正常服役；

(2)低烈度地震響應中，部分橋墩的墩頂加速度信號、主梁豎向加速度信號、變化幅度較大的傾角以及主梁應變易受到活荷載影響，無法有效識別低烈度響應；

(3)為識別低烈度地震響應，并與活荷載響應區(qū)分，傳感器信號可選用橋墩地震船撞監(jiān)測、傾角(橫橋向)、主梁撓度等正常峰值上限與活荷載響應極值來識別低烈度地震效應影響，并可多類型傳感器數(shù)據(jù)對比進一步確認；

(4)地震船撞可根據(jù)X、Y方向監(jiān)測到的最大峰值超過活荷載響應峰值的4倍來判斷橋梁承受了地震沖擊，根據(jù)跨中豎向撓度監(jiān)測最大峰值超過活荷載響應峰值的6倍來確認。