基于健康观测的大跨度悬索桥结构评估

　　　　　　　　　　　2008年4月Apr.　2008JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition)　文章编号:1671-7147(2008)02-0211-05

基于健康观测的大跨度悬索桥结构评估

黄平明,　刘旭政,　张永健

湖南长沙410001)

摘　要:结合宜昌长江公路大桥的健康监控,探讨了悬索桥结构健康监控中的主要内容及实施方法.介绍了几种常见的桥梁结构评估方法,并对宜昌长江公路大桥进行结构评估,为同类桥型的健康监测及结构评估提供有益参考.

关键词:桥梁工程;悬索桥;健康监测;结构评估中图分类号:U446.2文献标识码:A

1

1

1,2

(11长安大学公路桥梁与隧道陕西省重点试验室,陕西西安7100;21湖南省高速公路管理局,

HealthMonitoringandStructureAssessmentofthe

YichangYangtzeRiverHighwayBridge

HUANGPing2ming,　LIUXu2zheng,　ZHANGYong2jian

HunanBureauofExpresswayAdministration,Changsha410001,China)

1

1

1,2

(KeyLaboratoryforHighwayBridgeandTunnelofShaanxiProvince,Chang’anUniversity,Xi’an7100,China;

Abstract:CombiningwiththeYichangYangtzeRiverhighwaybridge,theprincipalcontentandtheexecutewayofhealthmonitoringforthesuspensionbridgesarepresented.Thegeneralmethodsofbridgestructureassessmentareintroduced,andthestructureassessmentoftheYichangYangtzeRiverhighwaybridgeiscompleted.Theresultscanprovidegoodreferencetothesametypebridgesinhealthmonitoringandstructureassessment.

Keywords:bridgeengineering;suspendedbridge;healthmonitoring;structureassessment

　　桥梁在建成通车后,由于受到气候、氧化、腐蚀或老化等环境因素的影响,并且在静载和活载的长

期作用下,桥梁结构的强度和刚度会随着时间的增加而降低.这不仅会影响行车安全,更会缩短桥梁的使用寿命.特大型桥梁作为路线的咽喉,需要对桥梁的健康状况进行监测,确定桥梁的健康状况,并对结构进行状态评估,从而指导运营阶段的养护维修工作,及时发现安全隐患,保证桥梁的行车安全.大型桥梁的结构状态评估技术在国内外已经受

　　收稿日期:2007-02-04;　修订日期:2007-04-03.　　基金项目:湖北省交通科技项目(鄂交技[2000]320号).

到广泛的关注和重视,成为桥梁研究领域的热点问题.目前存在多种桥梁安全评估方法,主要理论

集中在可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网

[326]

络及专家系统等.近年来,我国许多学者就桥梁结构的安全性评估进行了广泛而深入的研究,但大多数都集中在对中小型桥梁的结构评估或者桥梁局部构件的评估,对于大跨度桥梁的综合评估研究较少,而针对大跨度悬索桥结构评估的研究则更少.

[728]

[122]

　　作者简介:黄平明(1965-),男,湖北当阳人,教授,博士生导师.主要从事公路桥梁养护维修及加固技术、大跨径

桥梁施工控制及桥梁评定技术等研究.Email:hpming@vip.sina.com

212　　　江南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第7卷　

略和监测系统的信息管理技术等.

桥梁健康检测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导.为此,监测系统通常对以下几个方面进行监控:

1)桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态;

2)桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态;3)桥梁结构构件耐久性;4)桥址处的环境条件等.

　　宜昌长江公路大桥的主桥净跨为960m,全长1187.4m,桥面全宽30m,桥型采用双塔单跨钢箱梁悬索桥,是首座完全依靠我国技术建造的跨径达千米的悬索桥.大桥于2001年9月18日通车运营,运营后的一年内,每隔3个月对大桥进行一次健康观测,总共进行了4次.从观测结果看,大桥主缆标高、桥面标高、主要结构内力均有不同程度的变化,因此,建立长期稳定的健康观测体系以及对大桥的结构评估,是十分必要的.

1　目标及内涵

桥梁结构的健康观测有以下几个目标:

1)确定桥梁的健康状况,辅助制定日常养护维修方案.通过健康观测搜集到的数据,分析结构的实际状况,比较分析结构的实际状况与结构理想状况的偏差,分析偏差产生的原因,为日常养护工作确定方向.

2)保证大桥的运营安全以及预测大桥以后的健康状况.对比分析健康观测收集的数据,了解大桥目前的健康状况从而保证大桥的安全运营,同时分析数据流的趋势,预测结构可能出现的问题,提出解决方案,消灭结构的安全隐患;确保大桥结构的安全以及桥上行车、行人的安全.

3)为大桥的评估工作提供前提保障.结构的健康观测是大桥结构评估的前提,健康观测包含了评估工作的部分内容,并且可以促进评估工作的进行.例如,结构的可靠性评估方法、结构损伤或缺陷及其诊断和检损技术、桥梁评估工作的标准化和规范化、大桥修复加固技术,以及大桥的养护维修策

2　主要监测内容2.1　几何位置观测2.1.1　主缆线形观测　主缆是悬索桥的主要承重

结构,是整体结构安全的关键所在.主缆线型的变

化随外界环境(如温度场、荷载等)的改变会发生较大的变化,准确的测定主缆线型,是全桥几何观测的主要内容之一.主缆的几何位置测量选定每根主缆中跨L/4、中跨L/2、中跨3L/4、边跨跨中5个点,两根主缆共10个点(Z1～Z10)作为监测目标,每次健康观测测量这10个点的标高.在考虑温度场、索塔偏位等的影响后,与设计理想状态比较,得到偏差值.根据偏差值的大小确定主缆线型几何状态,并将测量值与先前测量值比较,找出主缆标高的变化规律,分析原因,确定主缆线型变化规律的合理性.主缆线型监测测点布置见图1,主跨跨中主缆标高健康观测数据见表1.

图1　主缆线型监测测点布置

Fig.1　Monitoringpointsforcableshape

表1　中跨跨中主缆标高健康观测数据

Tab.1　Cableelevationdataformiddleofmid2span

测试断面数据采集时刻

2003-06-18　20:50

测试温度/℃上游标高/m下游标高/m标高均值/m

29.38.029.55.2

88.24388.23688.22788.242

88.25288.24388.26988.252

88.24788.23988.24888.247

理论标高

(20℃)88.16288.16288.16288.162

差　值

0.0850.0770.0860.085

中跨L/2

2004-01-11　23:302004-06-12　23:302005-01-28　23:30

　第2期黄平明等:基于健康观测的大跨度悬索桥结构评估213

2.1.2　主梁线形观测　在桥面上选定上下游侧主缆

吊点附近的八分点(全桥共14个点)作为健康观测图的测量点(桥面线型观测测点布置见图2).健康观测时测量这些点位的标高.在考虑温度场、索塔偏位等的影响后,与设计理想状态做比较,得到偏差值.根据偏差值的大小确定桥面线型几何状态,并将测量值与先前测量值进行比较,找出桥面线型的变化规律,分析原因,确定桥面线型变化规律的合理性.

个点),该点必须与测量控制网中的某一测站点通视.通过对该点的测量,可以确定索塔的偏位情况,从而可以和理论理想状态比较,确定偏差值的大小及偏差的变化规律.

散索鞍位置对于主缆线形及结构整体受力影响较大.大桥散索鞍位置观测采用在南北两岸的上下游索鞍上确定一个固定的监测点(共4个点),通过对该点的测量,确定索鞍的位置变化情况,从而可以和理论理想状态进行比较,确定偏差值的大小及偏差的变化规律.2.2　静力观测2.2.1　主跨锚跨张力测试　主缆对悬索桥的结构安全至关重要,而且不可更换.锚跨张力测试是在悬索桥的锚室(共4个)内采用动测法(测试振动频率)测试索股的张力.监测点设在4个锚室内,分别在每个锚室的上端、下端、左侧、右侧、中间索股进行主缆内力监测.北锚索力上游张力健康观测数据见表2.

图2　桥面线形监测测点布置Fig.2　Monitoringpointsforbeamshape2.1.3　索塔位置及散索鞍位置观测　在南北两个

索塔的上下游塔顶各选择一个固定的监测点(共4

表2　北锚上游索力健康观测数据

Tab.2　Cabletensiondatafornorth2anchorofupstream

测试索号

285278104

第1次观测/kN

(2003-06-1820:50)

1214.721271.741330.201365.201192.49

第2次观测/kN

(2004-01-1123:30)

1200.921252.861325.421326.271201.68

第3次观测/kN

(2004-06-1223:30)

1199.031240.321311.221309.561208.98

第4次观测/kN

(2005-01-2823:30)

1182.661220.171301.1302.221220.17

2.2.2　吊索索力测试　吊索索力的监测主要用振动

的整体性能改变时,其模态参数(如频率、振型等)也会发生相应的变化.通过对悬索桥主缆和吊索、振动特性的监测,可以考察悬索桥缆索系统的疲劳响应,进而考察结构的安全可靠性.

例如在其他条件不变的情况下,若发现大桥振桥频率降低,则表示大桥的整体刚度在退化;若大桥某阶振型的频率变化不大,但发现局部振型有变化,则表示大桥局部部位有缺陷或损坏而引起的局部刚度退化等.用环境随同振动方法测量大桥的振动特性,如自振频率、振型和阻尼值等.大桥结构振型包括以下几种:

1)悬吊结构(加劲梁)的横向弯曲振型、竖向弯曲振型及扭转振型;

2)桥塔的顺桥向弯曲振型、横桥向弯曲振型及扭转振型;

3)索和吊杆的面内和面外弯曲振型.

方法测量索的自振频率和振型,利用有关的索力公式推算斜拉索的拉力.每次健康观测时对全桥312个吊点、1248根吊索的索力进行全面测试,确定各个吊索的索力大小是否正常、受力是否均匀、有无异常变化,以此作为吊索索力状况的判断依据.

2.2.3　索塔应力测试　对于悬索桥结构来说,主

塔结构的内力分布和在各种载荷下的响应,为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据.索塔应力的大小利用施工控制时预埋于索塔内的钢筋计,用寻检仪测试索塔内混凝土应变的大小,再通过理论计算得到索塔应力.2.3　振动监测

桥梁动态性能的改变反映了桥梁的刚度性能的改变,因而获取桥梁的动力特性即获取了结构的“指纹”,作为评价桥梁健康状态的主要指标.结构

214

2.4　温度监测

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构上布设温度测点.主缆上共10个测试断面(每根

主缆选取中跨L/4、中跨L/2、中跨3L/4、边跨跨中5个点),40个测点(主缆每个测试断面上4个测点),具体布置见图3.索塔上8个测试断面(每个索塔分别设置中横梁及上横梁),32个测点(索塔每个测试断面上4个测点).钢箱梁设置2个测试断面,每个断面上4个测点.

通过对桥梁温度场分布状况的监测,可为桥梁设计中温度影响的计算分析提供原始依据.对不同温度状态下桥梁的工作状态变化,如桥梁变形、应力变化等进行比较和定量分析,对于桥梁设计理论的验证和完善均是有益的.

利用多路温度测试系统(MCTI),在全桥主要结

图3　主缆温度测点布置Fig.3　Monitoringpointsformaincabletemperature

3　结构健康状况评定桥梁结构评估的内容为承载能力、营运状态和耐久能力.承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性有关.其评估的目的是要找出桥梁结构的实际安全储备,以避免桥梁在日常使用中发生灾难性的后果.因其与人身安全和财产损失有关而成为桥梁结构评估的主要内容.营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关.在指定结构工作条件和定期养护维修的情况下,桥梁结构营运状态评估结果是十分重要的.耐久能力的评估侧重于桥梁损伤及其成因,以及对材料的物理特性的影响.

目前存在多种桥梁安全性评估方法,所采用的理论主要集中在可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等.宜昌长江公路大桥采用分部件的综合评定方法进行.根据JTGH11—2004《公路桥涵养护规范》,评定等级分为一类、二

法计算出宜昌大桥技术状况得分为82分,属于二类桥梁,即桥梁总体状况较好,重要部件功能良好,承载能力和桥面行车条件达到设计标准.从评估结果来看,宜昌长江公路大桥运营3年多来,主缆锚跨各根索股受力均匀,实测受力与理论计算值相差较小;吊索索力没有明显的变化,满足结构安全系数的要求;主缆、吊索受力情况良好;几何线形与设计值偏差不大,这表明大桥健康状况良好.

4　结语

桥梁健康监测是在桥梁建设规模越来越大、在交通运输及社会生活中的作用越来越重要、计算机技术及通信技术迅速发展的背景下出现的一个新的技术领域.桥梁动力健康监测作为桥梁健康监测的重要组成部分之一,涉及结构分析、传感技术、测试技术、数据通信、信号处理、数据管理及状态评估等多个学科.

关于大跨桥梁健康监测还有许多问题需要进行研究,尤其是在损伤识别、状态识别与安全性评估方面.这主要是由于:

1)桥梁结构及其工作环境的复杂性和不确定性对结构模态响应的灵敏性造成了不利影响,导致了目前桥梁整体监测与评估的困难;

2)根据大型结构的监测数据反演其结构健康状态和可能的结构损伤,是一个复杂结构体系在不完善条件下的反问题,结构的状态反演、损伤识别和状态评估尚有待深入研究;

3)对大跨桥梁在使用年限内工作特性的变化

类、三类、四类、五类.综合评定采用计算方法如下:

n

Dr=100-

∑RW

i

i=1

i

/5

式中:Ri为各部件确定的评定标度(0～5);Wi为各部件权重,

∑W

i

=100;Dr为全桥结构技术状况评

分(0～100),评分高表示结构状况好,缺损少.评定分类采用界限:

Dr≥88为一类;88>Dr≥60为二类;

60>Dr≥40为三类;Dr<40为四类、五类.

根据宜昌大桥健康观测所测数据,采用上述方

　第2期黄平明等:基于健康观测的大跨度悬索桥结构评估215

缺乏全面深入的研究,难以建立客观统一的桥梁结构状态评估标准.

目前桥梁健康监测这一新技术还属于研究阶段,对桥梁动力健康监测的方法、理论还有待于进一步研究.文中对宜昌长江公路大桥健康监测过程

中涉及的问题进行了探讨,并根据健康状况评定结果对于大桥的维护提出了日常维护方案,希望能对同类桥型健康监测系统的发展及实现规范化方面起到参考及促进作用.

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(责任编辑:杨　勇)