芜湖长江大桥挠度预警阈值研究

赵大成 吴少雄 刘兴旺，3 刘华 戴鹏飞 陈斌

（1.中铁桥隧技术有限公司，南京 210061；2.中国铁路上海局集团有限公司，南京 210015；3.东南大学土木工程学院，南京 211189）

桥梁结构主梁挠度是桥梁设计的重要内容，也是结构刚度的重要体现，其作为桥梁健康监测系统的重要组成部分，是结构运营期安全预警评估的关键指标。大跨桥梁挠度监测设备多样，主要有连通管、GPS、倾角仪、激光设备等。连通管具有多点同步、量程大、数据稳定等优点，被广泛应用于工程实践中［1-3］。诸多学者基于桥梁挠度监测数据对结构进行了安全预警及评估［4-6］，但对矮塔斜拉桥挠度实时预警鲜有涉及。

本文以芜湖长江大桥健康监测系统为背景，将大桥挠度监测数据以天为单位，分时段提取非过车情况下主梁挠度监测数据，并与环境温度监测数据作相关性分析。采用系统测速仪定位列车过桥时间，截取列车影响下的挠度监测数据并作统计分析，进而对挠度指标设定预警阈值，实现在线实时预警。

1 工程背景

芜湖长江大桥是国家“九五”重点交通建设项目，也是我国在长江上建造的第1座双层公铁两用矮塔斜拉桥。大桥由公铁主桥、铁路引桥和公路引桥三大部分构成。其中，公路桥全长5681.25 m，正桥长2193.7 m。芜湖长江大桥于1997年3月22日正式开工，2000年9月建成通车［7-8］，其健康监测系统于2017年10月正式启用，共布置了128 个测点。采用连通管监测主梁挠度，挠度采样频率为1 Hz，精度为±1 mm，分布在边跨跨中、主跨跨中及主跨1/4 和3/4 截面，上下游对称布置在钢桁梁下弦杆上部。环境温度测点采用YGM430 温湿度传感器，采样频率为1 Hz，精度为±0.3 ℃，布置在主跨跨中。挠度（ND）及环境温度测点（WSWD）见图1，10#主塔为挠度基站位置。典型挠度测点现场布置见图2。

图1 芜湖长江大桥挠度测点布置（单位：mm）

图2 挠度测点现场布置

2 挠度分析

以2017年12月30日凌晨至1 点（环境温度为9.86 ℃）主梁挠度监测数据的平均值作为基准值并进行归零，所得挠度为正表示主梁上挠，挠度为负表示主梁下挠。2018年01月07日至01月14日主跨跨中上游挠度测点ND-08-01及跨中环境温度测点WSWD-08-01时程曲线见图3。

由图3 可知，列车荷载及环境温度是影响主梁挠度变化的主要因素，大桥主跨跨中挠度在温度影响下呈现明显的“类正弦”周期性变化趋势。跨中挠度与环境温度变化趋势相反，即环境温度升高时主跨跨中下挠。周期性趋势中上下突出的“毛刺”发生在列车过桥时段，由列车荷载引起。

2018年01月07日凌晨至1点（环 境 温 度 为2.76 ℃）上行单次货运列车过桥时大桥主跨跨中挠度时程曲线见图4。

图4 单次货运列车过桥时大桥主跨跨中挠度时程曲线

由图4 可知，车头进入、车尾驶出桥梁边跨时，荷载集中在边跨，主跨跨中轻微上挠（1，2号矩形框），当列车车身位于2 个主塔之间时，由于部分列车荷载位于边跨，减少了跨中挠度（3号矩形框）。

对芜湖长江大桥2018年跨中挠度监测数据与环境温度监测数据作相关性分析。全年挠度监测数据为31536 000 个，与环境温度整体相关性见图5（a）。受列车荷载的影响，相关系数R=-0.587，说明挠度与环境温度的相关性不显著。提取每天凌晨至1 点非过车时段挠度监测数据（过车时段挠度监测数据采用空值代替）并取平均值，与对应环境温度监测数据的相关性见图5（b）。相关系数R=-0.944，说明挠度与环境温度显著相关。图中给出了95%保证率上下分位线，下分位线用于在主跨跨中温度影响下设定挠度预警阈值。

图5 环境温度与跨中挠度相关性分析

大桥健康监测系统全年车速仪有效识别列车33703 次。根据车速仪记录的过车时段，截取跨中挠度数据并统计每辆列车过桥时跨中挠度变化幅值（跨中最大上拱值与最大下挠值之和），挠度变化幅值时程曲线及统计结果见图6。

图6 过车时段挠度变化幅值时程曲线及统计结果

由图6 可知：全年列车过桥时主跨跨中挠度变化幅值最大值为253.31 mm；统计结果中有3 个波峰极值点，主要是由于客运和货运列车荷载不同所致。客运列车过桥时，跨中挠度变化幅值集中在［40.72，43.20］mm；货运列车过桥时，跨中挠度变化幅值集中在［115.10，117.60］mm；部分客运、货运列车空载或轻载过桥时跨中挠度变化幅值集中在［18.4，20.88］mm。

3 预警阈值分析

温度发生变化时，挠度往往会滞后一段时间再发生相应变化，导致挠度与温度相关性发散。环境温度变化率越大，时滞效应对相关性的影响越大。为了减小时滞效应对环境温度和挠度相关性的影响，将每天的监测数据以1 h 为区段进行划分，以2018年每天各个时段环境温度与非过车时段挠度平均值做相关性分析。其表达式及相关系数分别为

式中：Di为挠度线性拟合值；D下，i为挠度在95%保证率的下分位线值；ki为斜率；Tj为环境温度；b1，i为线性相关性截距；b2，i为95%保证率的下分位线斜率；i为每天分析时段；j为天数。

挠度与环境温度各个时段相关性见表1。可知，各个时段相关系数集中在［-0.97，-0.91］，说明环境温度与挠度监测数据显著相关。

表1 挠度与环境温度各个时段监测数据相关性

基于以上环境温度及列车荷载对主梁挠度的影响分析，采用各个时段挠度在95%保证率的下分位线值D下，i与全年列车过桥时挠度变化幅值最大值A列车之和对挠度的预警阈值W阈值进行设置，即

一般情况下，系统运营一年的监测数据基本包含了各种环境及不同种类、不同列车荷载对结构的影响。若分析时段系统运行正常，则系统监测数据能够反映桥梁在健康状态下的特征信息。若后续监测指标超过基于一年监测数据设定的预警阈值，原因是：①系统监测数据异常。可以通过查看同类型、同截面相关测点监测数据进行异常识别，也可通过力学分析判断监测数据是否合理。②结构的真实响应报警，如地震、车船撞、极端天气、超载列车等导致监测数据超限，若结构产生损伤则需进行检测评估，若无异常则将该样本数据纳入统计分析样本数据中，重新计算模型并统计分析，更新指标阈值。

基于桥梁健康监测系统2018年挠度及环境温度监测数据建立分析模型，得到预测预警时程曲线，并采用2019年第1 季度跨中挠度监测数据进行校验，见图7。可知，挠度预警阈值和挠度监测数据趋势一致，阈值随环境温度变化而变化，具有实时性；阈值量值较小，可以有效防止结构异常信息的漏报。说明采用相关性分析与列车荷载影响下挠度统计分析相结合的方法具有一定的通用性，可为同类型桥梁挠度预警阈值设置提供有力支撑。

图7 主跨跨中主梁挠度预警时程曲线

4 结论

本文以芜湖长江大桥健康监测系统为背景，分析环境温度与跨中挠度相关性，并研究列车荷载影响下挠度的变化规律，从而设置预警阈值。主要结论如下：

1）挠度时程随环境温度变化呈现明显的周期性，各个时段环境温度与对应非过车时段挠度相关系数集中在［-0.97，-0.91］，环境温度与挠度监测数据显著相关。

2）监测系统全年有效识别普速铁路客货运列车33703次。列车引起主跨跨中挠度变化幅值最大值为253.31 mm，客运、货运列车过桥时跨中挠度变化幅值分别集中在［40.72，43.20］，［115.10，117.60］mm；部分客运、货运列车空载或轻载过桥时跨中挠度变化幅值集中在［18.40，20.88］mm。

3）基于各个时段挠度在95%保证率的下分位线值与全年列车过桥时挠度变化幅值最大值之和设定了挠度预警阈值。阈值随环境温度变化而变化，具有实时性且阈值量值较小，可以有效防止结构异常信息的漏报。