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大跨度桥梁结构如何进行健康监测

2021-11-10 10:01发布

随着现代化桥梁结构健康监测系统的逐步发展,大跨桥梁结构健康监测系统的概念越来越清晰地呈现在众多研究和使用者的面前: 大跨桥梁健康监测系统,是一个以桥梁结构为平台,应用现代传感、通讯、和网络技术,优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、损伤识别、整体性能评估、综合报警、信息网络分析处理、和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统。其可以实现对结构整体损伤的长期跟踪监测, 达到对局部、短期损伤技术的有益补充,从而极大地延拓了桥梁检测领域的内涵, 提高了预测评估的可能性。


桥梁结构健康监测系统的主要功能和目的是为了让桥梁结构在施工和运营期间的承载能力、运营状态、安全性和耐久性得以实时在线的掌握。

除此而外, 通过桥梁健康监测系统而获得的实际结构的动静力行为来验证桥梁结构的理论模型、计算假定等具有重要意义。事实上,现在国内外一些重要大跨桥梁结构在建立健康监测系统时都强调利用监测的信息来验证结构的设计。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于: 结构设计方法与应用的规范标准等可能得以改进。对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟”设计的基础。

桥梁结构特点及监测

桥梁按主要受力构件可分为梁桥、拱桥、钢架桥、斜拉桥、悬索桥五大类。

梁桥:主要承重构件为主梁,受力特点为主梁受弯,多用于中小跨径桥梁;

拱桥:主要承重构件是拱肋,受力特点为拱肋承压、支承处受水平推力;

钢架桥:是一种桥跨结构和墩台结构整体相连的桥梁,受力特点为支柱与主梁共同受力,支柱与主梁刚性连接,在主梁端部产生负弯矩,减少跨中截面正弯矩,支座不仅承受竖向力还承受弯矩,适宜于中小跨度桥梁,如立交桥、高架桥等;

斜拉桥:主要承重构件为梁、索、塔,利用索塔上的斜拉索在梁跨内增加弹性支承,减小梁内弯矩而增大跨径,受力特点为外荷载从梁传递到索,再到索塔,适宜于中等及大跨桥梁;

悬索桥:主要承重构件为主缆,受力特点为外荷载从梁经过系杆传递到主缆,再到两端锚锭,适宜于大型及超大跨桥梁。

大跨度桥梁结构健康监测内容主要有:

  1. 荷载监测,包括风、地震、温度、交通荷载等;

  2. 几何形态监测,获取结构实际几何形态参数,如线形、变形、位移、沉降等;

  3. 截面应力监测,包括混凝土应力、钢筋应力、结构应力等;

  4. 索力监测,斜拉索、主缆、吊杆等的索力;

  5. 下部结构监测,包括锚定应力、主塔桩基轴力等;

  6. 响应监测,包括桥梁各个构件的应力应变、振动加速度、索力等。

香港青马大桥结构健康监测方案

青马大桥是连接香港葵青区青衣岛和荃湾区马湾岛的主要通道,东起青衣岛,上跨马湾海峡,西至马湾岛,是香港青屿干线道路的重要枢纽。

该桥是公铁两用钢箱梁钢悬索桥,上层为双向六车道城市快速路,下层为双线铁路。青马大桥全长2160m,主跨1377 m,桥宽42m,桥塔高(至鞍座) 206m,主缆直径1.1m,由33400根直径为5.38mm的钢丝组成,钢丝总长160000km。在青衣岛侧采用隧道式锚碇,在马湾岛侧采用重力式锚碇。钢箱加劲桁梁高7.54m,高跨比1/185,纵向桁架之间为空腹式桁架横梁,中部空间可容纳行车道和铁轨。上层桥面中部和下层桥面铁轨两侧均设有通气空格,形成流线型带有通气空格的闭合箱型加劲梁。根据大桥所在的地形条件及青衣岛侧公路立交布置要求。设计桥跨时利用了不对称思想,即设计成中跨和马湾岛侧边跨悬吊的双塔两跨悬索桥。

青马大桥的结构健康监测系统由香港特别行政区路政署负责实施,大桥上共安装了253个不同类型的传感器,包括应变计、加速度计、位移计、风速仪、温度计、腐蚀传感器、动态称重系统和全球定位系统(GPS)。该系统的主要特点包括:

  1. 至今已运行超过二十年,积累了大量原始监测数据,为国内外桥梁健康监测系统的设计和运营提供了宝贵经验;

  2. 综合考虑结构形式和经济性并结合对称性原则,在桥梁一侧密集布置各类型传感器,另一侧少量布置传感器(用于监测结果检验和校核);

  3. 在公路和铁路交通荷载长期共同作用下,大桥的正交异性钢桥面板焊接构件在服役期易发生疲劳开裂,因此在桥面板不同截面一共布置了110个应变计,以便后续评估钢焊接构件的疲劳寿命;

  4. 考虑到大桥在服役期要长期暴路在腐蚀环境,而钢结构表面易受氯盐腐蚀,在大桥的关键区域进行了长期腐蚀监测;

  5. 大桥所处位置常年遭受台风作用,而桥塔高度超过200 m、主跨超过1300 m,大桥的风场环境与结构振动变形监测成为重点。



青马大桥结构健康监测系统使用的传感器主要有:

  • 风速仪:可分为螺旋桨式风速仪和超声波式风速仪,记录风向、风速数据;

  • 温度计:记录温度、温差数据;

  • 应变计:记录安装位置的应变;

  • 加速度计:记录结构的振动加速度;

  • 位移计:记录结构的局部位移;

  • 索力计:记录拉索索力;

  • 腐蚀传感器:记录安装位置的钢筋腐蚀状况;

  • 动态称重系统:记录车辆荷载的轴重、轴间距、车速等信息;

  • GPS:记录桥塔、桥面板结构的变形;

  • 气象站:记录气压、湿度、雨量等天气信息