桃夭门大桥结构健康监测传感器布点设计

畅卫杰　刘舟峰　郭书峰　徐文城

(1.浙江舟山跨海大桥有限公司，浙江 舟山　316000；　2.中交公路规划设计院有限公司，北京　100088)

1　概述

结构健康监测是对土木工程结构、特别是大型和超大型结构的设计、建造、维护和运营安全具有重要的意义，为揭示结构真实服役环境、荷载、响应和性能演化规律提供了现场试验手段[1]。结构健康监测系统在大型桥梁工程中已经得到了比较广泛的应用[2]，也正在逐渐体现出与人工检查不同的独特优势和价值。

桥梁环境和桥梁荷载是导致结构安全变异的外在因素；桥梁结构自身的性能退化是导致结构安全变异的内在因素。桥梁结构响应信息和桥梁损伤(病害)信息是外因通过内因发生作用的直接结果，判别桥梁安全状态改变的信息都包含在这两类信息中，但它们是局部的、离散的或者隐含的；通过桥梁安全状态的评估才能从损伤和响应信息中抽取桥梁评估信息，才能综合判断结构安全状态的变异与否。具体到桃夭门大桥，其结构安全特征信息如图1所示。

2　监测点一般性设计

2.1　结构特点

桃夭门大桥为舟山大陆连岛工程的第三座跨海大桥，大桥全长888 m，桥面宽27.6 m，双向四车道，桥跨布置为(48+48+50+580+50+48+48)m，主桥为580 m的双塔双索面半漂浮体系混合式斜拉桥，主梁采用钢结构加劲梁，基础为钻孔灌注桩，下部为钻石型索塔，索塔高151 m。引桥上部结构采用混凝土箱梁，桥墩为T型空心墩，基础为钻孔灌注桩，桥台为重力式U型扩基桥台。总体桥型布置图如图2所示。

2.2　测试内容设计

根据交通运输部发布的JT/T 1037—2016公路桥梁结构安全监测系统技术规程[3]，对于特大型斜拉桥结构一般需要考虑的监测内容应包括如表1所示的内容。

表1　桃夭门大桥监测内容

类别主要参数荷载与环境结构整体响应结构局部响应车辆荷载风速、风向温度湿度振动变形应变索力疲劳断面交通流、车型、车轴重、轴数、车辆总重、车速桥面塔顶箱梁内外环境温度混凝土温度钢结构温度箱梁内湿度环境湿度索塔锚固区湿度主梁竖向振动加速度主梁横向振动加速度塔顶水平双向振动加速度主梁挠度主梁横向变形塔顶偏位主梁关键截面应变斜拉索斜拉索主梁伸缩缝

而具体的测点位置则还应结合桃夭门大桥的具体特点、风险特征和理论计算结果确定。由于风荷载、温湿度等监测内容测点位置的选择比较简单，因此下面重点介绍斜拉索索力、整体动力特性、混凝土裂缝、钢箱梁应力及钢混凝土结合面错位的测点设计。

2.3　索力测点设计

建立桃夭门大桥的有限元模型，计算其在恒载作用下的各索索力(见图3)。

在不同荷载工况下，斜拉索索力计算结果见图4。

通过以上计算结果可以得出，长索索力较大，且各索索力受力较为均匀。因此，在设计时选取不同规格斜拉索中较长的索进行重点监测。索力加速度计布设位置及数量见表2。

表2　索力加速度计布设位置及数量

2.4　动力特性测点设计

对桃夭门大桥进行理论模态分析，得到其计算动力特性结果见图5，表3。

表3　桃夭门大桥计算动力特征

振型序号周期/s频率/Hz振型描述13.3780.296正对称竖弯23.0860.324正对称侧弯32.3580.424反对称竖弯41.6610.602正对称竖弯51.2970.771反对称竖弯

通过对桃夭门大桥前五阶模态进行分析，可见桃夭门大桥低阶模态以竖向模态为主，结构健康监测系统对结构振动特性的监测应主要布置竖向加速度传感器(见表4)。

表4　动力特性测点的布设位置设计结果

2.5　混凝土箱梁裂缝、钢箱梁应力与钢混凝土交接面错位监测

在恒载作用下，主梁应力结果见图6。

其中1号、10号、19号为墩顶节点，28号节点为塔梁交接处节点，77号为主跨跨中节点。

在不同荷载组合作用下，主梁应力结果见图7。

根据计算结果可以看出，主梁上翼缘最大应力和下翼缘最大应力发生在跨中及墩顶位置。结合现场勘查的病害结果，设计时对主跨跨中进行钢箱梁疲劳监测。由于钢混结合段受力较为复杂，对该断面布设应变计进行应力监测，同时在钢混结合段两侧布设加速度计，通过两侧的振动是否一致来判断其结合状况(见表5)。

表5　混凝土箱梁裂缝、钢箱梁应力及结合面错位监测测点设计结果

2.6　测点设计结果

根据结构特点、风险分析及计算分析，并结合现场踏勘，最终确定的监测点设计结果如图8所示。

3　结语

桃夭门大桥作为跨海特大桥结构，运营中面临的风险大，不确定因素多，因此安装桥梁健康监测系统对于掌握桥梁运营状况，进行台风等灾后的应急处置具有重要意义。同时，本项目中的钢混凝土结合面错位设计为类似工程中首次采用，可以为后续类似工程提供借鉴。

参考文献：

[1]Ou J.Some Recent Advances of Intelligent Health Monitoring Systems for Civil Infrastructures in Mainland China[A].proceedings of the Proceeding of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure[C].Tokyo,Japan,2003.

[2]H Wenzel,Health Monitoring of Bridges[M].John Wiley & Sons,Ltd,2009.

[3]JT/T 1037—2016,公路桥梁结构安全监测系统技术规程[S].