武汉天兴洲长江大桥伸缩缝位移监测技术研究

唐华瑞，宁 强

武汉天兴洲长江大桥伸缩缝位移监测技术研究

唐华瑞1，宁 强2

（1.河南理工大学 万方科技学院，河南 郑州 451400；2.江苏法尔胜光电科技有限公司，江苏 无锡 214400）

桥梁的结构位移是衡量结构安全性的一个重要因素。过大的结构位移不仅引起应变超限，还会影响桥梁的正常使用。结构的位移变化还能反映结构内部的病害。以武汉天兴洲公铁两用长江大桥公路桥为研究对象，用光栅位移传感器进行伸缩缝位移监测，并通过梁端位移测试数据，评判结构的安全性。

武汉天兴洲大桥；伸缩缝；位移监测；技术分析

0 引言

桥梁的结构位移是衡量其安全性的一个重要因素。过大的结构位移不仅会引起应变的超限，还会影响结构的正常使用。结构内部的病害也可能通过位移的变化反映出来。在桥梁结构健康监测中，伸缩缝位移是一个必须测量的参数［1］。

武汉天兴洲长江大桥位于武汉长江二桥下游10 km处，北起汉口平安铺，南止武昌武青主干道，总长度为9.3 km，其中主桥长4 657m，主跨504m，是世界上最大跨度的公路铁路两用斜拉桥［2］。该桥上层为6车道公路，设计时速为80 km；下层为可并列行使4列火车的铁道，设计时速为200 km。天兴洲长江大桥公路桥主要采用的是大跨径的预应力混凝土连续箱梁和预应力混凝土简支箱梁。考虑桥梁结构的受力特点，按照实施细则及专家意见，该桥选择连续梁66#墩梁端进行伸缩缝的位移监测。笔者对天兴洲长江大桥公路桥伸缩缝位移监测技术进行了探讨。

1 位移监测方法及其原理

1.1 监测方法

拉绳式位移传感器和磁滞伸缩式位移传感器是桥梁工程领域常用的监测传感器。拉绳式位移传感器借助高韧性钢丝来测量直线位移，钢丝通过合金钢弹簧绕于铝合金滚筒之上，由此将直线位移转变成旋转运动。磁滞伸缩式位移传感器利用磁环替代了拉伸的钢丝，将测试转变为一种非接触式的测量方式。两类测量方式的共同点是，测试的位移均反映为电信号。对于进行长期远程实时监测的桥梁来说，由于监测现场距离控制室较远，电类信号在传输过程中易被电磁干扰。若在现场设置采集站作为中继，不仅降低了测试结果的可靠性，还增加了监测系统的复杂性和监测成本。

本监测系统结合项目内结构伸缩缝距离的监测要求，基于光纤传感技术的支持，用光栅位移传感器进行位移监测。该光纤光栅位移传感器实物照片如图1所示。

1.2 测试原理

图1 光纤光栅位移传感器Fig.1 Fiber bragg grating displacement sensor

光纤光栅位移传感器的基本结构如图2所示。在外力作用下，位移传递杆产生位移，致使传递钢绳产生拉伸。传递钢绳产生的拉力以集中力的方式作用在悬臂梁的自由端。悬臂梁另一端固定在与钢绳保护筒连成一体的圆柱形刚性壳体内侧壁上，其上下表面分别贴着互补的光栅对。当位移传递杆产生位移时，悬臂梁下表面受压缩而产生负应变，上表面受拉伸而产生正应变，贴在其上、下表面的光纤光栅也产生同样的正应变和负应变，使上、下两个光纤光栅的中心波长向相反方向移动。两个波长差值可表征位移传递杆移动的位移［3］。

图2 光纤光栅位移传感器结构图Fig.2 Fiber bragg grating displacement sensor structure

用两光栅中心波长的差值求解位移传递杆产生的位移时，温度引起光纤光栅中心波长的变化将作为共模信号剔除掉。该项测试技术既利用了光信号远程不受电磁干扰的特性，又弥补了光纤光栅受温度影响的测试缺陷［4］。

2 位移监测分析

2.1 测点布置

按照细则要求，位移传感器安装在连续梁66#墩梁端，上、下游箱梁共两个监测断面，每个断面布置2个测点。在实施过程中，将位移传感器支座一端安装于66#墩内，支座另一端连接钢丝拉绳安装于66#墩所对立的简支梁上。上、下游4个位移传感器分别组成两串信号后，汇入主光缆。

2.2 测试结果及分析

图3为连续10天监测的梁端纵向位移时程曲线，图4为其对应的上、下游位移差值时程曲线。由图3和图4可以看出，上、下游监测曲线变化差异幅度较小，发展趋势一致；在监测时间段内，上、下游间位移差值很小，约为-1～1mm。

图3 梁端位移监测时程曲线Fig.3 Beam-end disp lacement monitoring time-history curve

图4 上下游梁端位移差值时程曲线Fig.4 Upstream and downstream beam-end displacement differences time-history curve

图5为梁端上、下游平均位移与梁内温度的监测曲线。由图5可以看出，梁端位移与温度呈负相关趋势，随着温度的降低，梁端位移增大。这与结构热胀冷缩的特性相吻合。即，温度下降，导致连续梁段整体收缩，从而引起端部的位移变大。温度升高，导致相反的结果。

3 结语

作为结构的响应量，位移容易直观反映出结构的受力状况。研究表明，桥梁的梁端伸缩缝位移与温度具有明显的相关性［5］。在此基础上，通过监测梁端位移与温度的相关性特征，能够掌握梁端位移随温度的变化规律。此外，统计分析获得的最大位移值与伸缩缝结构设计量程间的比较结果，可以作为评判结构是否处于安全工作状态下的指标之一。

图5 梁端位移与温度相关关系图Fig.5 Relations between beam-end displacement and temperature

［1］丁幼亮，周 凯，王高新，等.苏通大桥斜拉桥伸缩缝位移的长期监测与分析［J］.公路交通科技，2014（7）：60-64.

［2］秦顺全.武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究［J］.工程力学，2008，25（增刊II）：99-105.

［3］陈飚.面向物联网和光纤传感技术的桥梁安全监测技术研究与应［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［4］邓扬，李爱群，丁幼亮.大跨悬索桥梁端位移与温度的相关性研究及其应用［J］.公路交通科技，2009，26（5）：54-58.

［5］邓扬，李爱群，丁幼亮，等.基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别［J］.东南大学学报：自然科学版，2011，41（2）：336-341.

[责任编辑 杨明庆]

Research on Expansion Joint Disp lacement M onitoring Technology of W uhan Tianxingzhou Yangtse Bridge

TANG Hua-rui1,NING Qiang2
(1.Wanfang College of Science&Technology HPU,Zhengzhou 451400,Henan,China; 2.Jiangsu Fasten Optoelectronics Technology Co.,Ltd.,Wuxi 214400,Jiangsu,China)

The bridge structure displacement is an important factor of its structure safety.The excessive structure displacement will not only cause the overrun of strain,also affect the bridge normal use.The structure displacement change can reflect the structure internal problems.The Wuhan Tianxingzhou Yangtze Highway-Railway Bridge of dual-use is set as a research object,it monitors the displacement expansion joint by using grating displacement sensor,and judges the safety of structure with beam displacement test data.

Wuhan Tianxingzhou Yangtze Bridge;expansion joint;displacementmonitoring;technology analysis

U442.4

A

1008-486X（2015）03-0035-03

2015-04-08

唐华瑞（1984-），女，河南荥阳人，讲师/工程师，硕士，主要从事桥梁工程专业的教学与研究工作。