飞鸟式钢管混凝土拱桥健康监测系统研究.pdf

第 4 O卷 ， 第 3期 2 0 1 5年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 3 J u n， 2 0 1 5 飞鸟式钢管混凝土拱桥健康监测系统研究 杨 勇，陈炳聪 ， 李永河 ， 梅力彪 ( 广州大学 土木工 程学 院 ， 广东 广州5 1 0 0 0 6 ) 摘要】以东莞水道特大桥 为背景 ， 根据该桥桥型 及结构受 力特点 ， 对该桥进行 系统全 面的结构受 力分析计 算 ， 以作为大桥健康监测系统测点布设方案 、 元器件选型 以及安全评估决策分析的依据 ； 叙述 了飞鸟式钢管混凝 土 拱桥健康监测系统构成及各 子系统 的组成 。其 中子系统包括 ： 自动化传感监测系统 ； 结构 安全综合评估子系 统。介绍了静态参数监 测系统的各传感子系统的部分监测结果 ， 监测数据表 明桥梁各监测指标处 于正常的变化范 围 ， 桥梁总体处于安全 、 可控 的运营状态。 关键词 】飞鸟式 ； 钢管混凝土 ； 拱桥 ； 健 康监测 ； 系统评估 中图分类号U 4 4 8 2 2 文献标识码 】A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 5 2 0 5 Re s e a r c h o n S t r u c t u r a l He a l t h M o n i t o r i n g S y s t e m f o r “F l y b i r d- t y p e ”CS F T Ar c h Br j d g e YANG Yo ng，CHEN Bi ngc on g，LI Yo ng he，M EI Li b i a o ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g G u a n g z h o u U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t O n t h e b a s i s o f D o n g g u a n Wa t e r w a y b r i d g e S s t y l e a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t r u c - t u r e， c o mpr e he n s i v e s t r u c t u r a l s t r e s s a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n， f o r t he po i n t l a y o u t p r o g r a m ， s e n s o r s e l e c - t i o n a s we l l a s s a f e t y a s s e s s me n t o f b r i d g e h e a l t h mo n i t o r i n g s y s t e mDe p i c t i o n t h e c o mp o s i t i o n o f“F l y Bi r d Ty p e ” CFS T Ar c h Br i dg e h e a l t h mo n i t o r i ng s y s t e m a n d t h e e a c h s ub s y s t e ms T he s u b s y s t e m i n e l u d e ： A u t o ma t i c s e n s i n g m o n i t o r i n g s y s t e m； a s s e s s m e n t o f s a f e t y s u b s y s t e m P r e s e n t e d p a r t o f t h e mo n i t o r i ng r e s u l t s o f t h e s t a t i c p a r a me t e r mo n i t o r i ng s y s t e m S s e n s o r s u b s y s t e m ， t h e mo ni t o r i n g d a t a o f t h e mo n i t o r i ng i n d i c a t o r s s h o w t h e n o r ma l r a n g e o f v a r i a t i o n， t h e br i d g e i s i n a s a f e， c o n t r o l l a b l e o p e r a t i n g s t a t e t o t a l l y K e y w o r d s fl y b i r d t y p e ； c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r ( C F S T ) ；a r c h b r i d g e ； h e a l t h mo n i t o r i n g ； s y s t e ma t i c a s s e s s me n t 0 前言 飞鸟式钢管混凝土拱桥是带悬臂半跨的中承式 钢管混凝土刚架系杆拱桥 ， 它的两边跨为半跨悬臂 上承式拱 、 主跨为中承式钢管混凝 土拱， 通过锚固于 两边跨端部的拉索来平衡主跨大部分水平推力 ， 该 类型桥梁因具有受力合理、 造型美观、 跨径大、 建筑 高度低等优点 而备受 青睐 。构建大桥 的健康监 测系统可以实时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情 况 ， 尽早发现桥梁结构 自身及外部荷载变化产生的 各种危险症状 。在结构安全及行车安全受到威胁的 情况下采取适当的措施实现主动安全控制， 保障桥 梁结构安全运营， 以实时掌控桥梁整体 内在使用状 态的变化 ， 为桥梁养护决策提供支持 。 1 工 程概 况 东莞水道特大桥位于东莞市环城路西五环路跨 东莞水道路段 。大桥全长近 7 5 0 m， 由主桥、 引桥两 部分组成 。其 中主桥采用三孑 L ( 5 0+2 8 0+5 0 ) m飞 鸟式 中承式钢管混凝土系杆拱桥。桥面全宽按双 向 八车道外加人行道设计 ， 单 幅桥面宽 2 6 1 m， 横桥 向为上下行分离式且对称的左 、 右两 幅桥。单幅桥 在左右两侧设两片主拱肋 ， 为钢管混凝土空间桁架 结构 ， 拱肋截面为四肢矩形格构型， 主拱拱轴线采用 收稿 日期】2 0 1 5 一 O l 2 8 基金项 目】国家自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 1 3 4 ) ； 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 3 0 8 1 3 7 ) r 作者 简介】杨勇 ( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 湖北孝感人 ， 硕 士， 实验师 ， 研究方向： 桥梁结构分析 、 监测及加固。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 杨勇 ， 等 ： 飞鸟式钢管混凝土拱桥健康监测系统研究 5 3 悬链线 ， 主孔计算矢跨 比 1 5 。全桥共设 吊杆 2 4 9 对 ， 采用挤包双护层大节扭绞型成品索 ， 吊杆间距 5 m。每片拱肋下设 1 6束 3 1 q o j l 5 2 4钢绞线作为水平 系杆 ， 钢绞线标准强 度 1 8 6 0 MP a ， 外套 P E防护。 设计荷载 ： 汽 一 超 2 0 、 挂 一1 2 0级 ， 人群 3 5 k N m ， 抗震设计按 度设防。东莞水道特大桥桥型总体构 造 图见 图 1 。 3 80 0 0 2 80 0 0 50 0 0 图 1东莞水道特大桥总体构造 图( 单位： c m ) F i g u r e 1 T h e t o t a l s t r u c t u r e fi g u r e o f d o n g g u a n w a t e r w a y b r i d g e ( u n i t ：e m) 2 东莞水道桥健康监测 系统设计 针对东莞水道特大桥结构可能发生的状态参数 变化和危险源， 所建立 的系统重点针对大桥的主要 承重构件的健康状况进行监测 ， 诸如 吊杆和系杆的 损伤及内力变化、 吊杆及主拱肋的振动特性、 主拱肋 及横梁的内力变化、 拱肋及桥面的位移等参数 。 2 1设计 依据 为了解该桥在各种荷载效应特别是活载作用下 的结构内力、 变形及振动特性， 为大桥健康监测系统 制定合理测点布设方案、 元器件选型以及安全评估 决策分析， 需要对 大桥进行全 面的分析计 算 - 6 。 采用 Mi d a s C i v i l 有 限元软件建立该桥空 间有限元 计算模型 ， 模型共划分为 5 2 7 9个节点 ， 6 9 5 3个单 元 。计算内容重点考虑大桥各主要承重结构关键截 面在 活载 ( 汽一 超 2 0 、 挂一 1 2 0 ， 人 群 3 5 k N m ) 最 不 利状态下的峰值反应 ， 根据文献 5 ， 活载综合考虑 设 计 荷载 、 验算 荷载及 温度效 应 的不 同荷 载组合 。 静力特性分析。 按设计活载最不利状态 进行结构 内力分析计 算 ， 计算结果表明： L 4截面处拱肋上弦杆最大压应 力约为 一 8 1 1 E+0 6 P a ， 拱肋竖 向变形最大值约为 一 2 5 1 m m， 桥面板最大竖 向变形 约为 一4 1 6 m m， 横梁 应力 增 量 约 为 6 0 7 E+0 6 P a 。拱 顶 截 面 处 拱 肋上弦杆最大压应力约为 一6 4 4 E+0 6 P a ， 拱肋竖 向 变形最 大值 约为 一 2 4 3 m m。跨 中处 桥 面最 大 竖 向变形约为 一 3 3 7 mm， 1 2 吊杆索力增量最大值约 为 2 3 1 E +0 5 N， 跨 中 截 面 横 梁 应 力 增 量 约 为 6 4 9 E十 0 6 P a 。拱 脚附近 1 短 吊杆索力 增量最 大 值约为 1 9 0 E+ 0 5 N。单根水平系杆拉力增量最大 值约 为 2 5 7 E+O 4 N。 动力特性分析。 对该桥进行 了前五阶的频率和振形分析计算 ， 根据计算结果 ， 该桥 的一阶振 型为以桥面系为主的 面外侧倾 ， 一 阶振动频率 为 0 5 8 3 H z ， 二 阶振型为 以主拱 为 主 的面外 侧 倾 ， 一 阶振 动 频率 为 0 6 4 2 H z ； 从前几 阶 自振频率和振型来看， 大桥的桥面系 横 向刚度是桥梁的薄弱环节 ； 另外 ， 低频的特性也是 该类型桥梁的主要特点 。图 2 、 图 3为该桥的一、 二 阶振 型 图。表 1列 出 了前 五 阶振 型 的 自振 频率 及 振 型特点 。 2 2 系统构 成 钢管混凝土拱桥主要受力结构是钢管混凝土拱 肋， 拱肋 钢管和 混凝 土的损伤 直接影 响到整 个结 图 2一 阶振 型 图 Fi g u r e 2 Fi r s t mo d a l s ha pe fig u r e 图 3二 阶振 型 图 Fi g u r e 3 Se c o nd mod a l s h a p e fig u r e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 公路工程 4 0卷 表 1 自振频 率及振型计算结果 Ta b l e 1 Ca l c u l a t e r e s u l t s o f n a t u r a l f r e q u e n c y a nd mo d a l s h a p e 构的安全， 吊杆和主梁等结构的状态也影响到桥梁 的安全性能和使用性能 。本系统的监测方式是 在保证精度的前提下 以传感器在线监测为主， 当现 有的测试精度水平达不到要求 时， 辅之以必要 的人 工监测项， 而对结构的损伤则主要通过人工巡 检。 钢管混凝土系杆拱桥结构健康监测系统主要基于自 动化传感测试 和信 号分析 的远程控制 系统 ( 简 称 “ 自动化传感测试 系统” ) ， 该桥结构健康监测 总体 结构示 意见 图 4 。 东莞水道特大桥健康检测系统 自动化 传感测 试子 系统 传感器模块 H 数据采集与传输模块 H 数据处理与控制模块 结构安全控制辅助决策子系统 l 内力状态调整 I l 决策辅助模块1 人 工巡检 监 测子系 统 结构识 别评估 子系 统 匝 匦囹 数据 库子 系统 用户 界 面子系统 图 4结构健康 监测总体 结构 Fi g u r e 4 Th e t o t a l s r u ct u r e h e a l t h mo n i t o r i n g s y s t e m 2 2 1自动化传感测试系统 自动化传感测试系统包括监测子系统、 数据采 集与传输子系统及数据处理和分析子系统， 结合桥 梁的人工巡检监测系统 ， 对桥梁进行综合安全评估。 监测 子 系统 。 包括 自动化传感测试子系统和人工巡检监测子 系统 。自动化传感测试子系统通过传感器将各类监 测信号转换为电信号并进行 自动采集和远程传输 ， 人工巡检子系统采用人工监测的方式。监测子系统 主要完成应力 、 几何变形、 索力 、 振动特性及 环境等 参 数 的采集 功能 。 数据采集与传输子系统。 在现场采集各类监测信号， 将监测信号转换为 数字信号。由于采集的数据量庞大， 对 现场采集的 数据 筛选 、 挖掘 ， 提取 与桥梁 结构 密切 相关 的数据 信 息， 再进行远程传输 。数据采集与传输 系统负责传 感器信号的采集、 调理、 预处理 、 传输等。 数据处理与分析子系统。 健康监测的大量数据最终的作用是为桥梁结构 的运营和养护服务 引。运用现场采集中心数据处 理与分析服务器， 对数据采集 系统收集 到的数据进 行筛选与挖掘 ， 将有效数据通过远程传输到远程监 控中心数据处理与分析服务器， 提交 给后续子系统 使 用 。 2 2 2结构安全综合评估子系统 评估 的核心任 务是根 据外 部力 学的变 化而 引起 的结构响应来识别响应 的起 因， 并对结构 自身反应 及反应 的累计历史进行评估 。 。评价桥梁 结构 承受静载和动载的能力和桥梁的安全可靠性， 为大 型桥梁的 日常维护和运营管理 提供科学 的决策依 据。因此该子系统 除了涉及对结构进行安全性、 适 用性 以及耐久性 3个 方 面 的评 估 和 利用 外 ， 增 加 了 对人工巡检结果 的评估过程 ， 以实现对 自动监测信 息和人工巡检信息的综合利用对结构进行评估 。 本项 目运营监测综合评估子系统设计总体方案参见 图 5。 2 3 系统设 计 的几个 关键 性 问题 传感器故障识别及对策： 传感器无法工作通 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 公路工程 4 0卷 移计对该桥 2 # 吊杆处 的 4个测点进行 短吊杆索力 测试( 间接法) ， 测点编号为 w z D 1 、 X I 、 D 2 、 X 2 。 吊杆监测结果图 1 0所示。 吕 昌 、 咖 婚 是 日期 ( 年一 月一 日 ) 图 1 0短 吊杆伸缩 量监测结果 Fi g u r e 1 0 S ho r t s us p e n de r s e x pa n s i o n a mo u nt mo n i t o r i n g r e s u l t s 4 结语 构建桥梁的健康监测系统能够实时地掌握桥梁 结构的内力状态及损伤情况， 能够在桥梁结构危险 萌芽阶段发 出预警， 有效地提高在役桥梁的安全性 和耐久性 ， 降低桥梁总体运营管养成本， 并提升桥梁 管理及养护的科技水平。同时 ， 也为飞鸟式钢管混 凝土拱桥的健康监测提供了参考。通过 1 a 来对系 杆及吊杆索力、 拱肋及横梁应力 、 拱肋及桥面位移等 方 面 的定期 监测 ， 得如下 结论 ： 在此监测 阶段 内， 系杆 所受 拉力 最 大变 化量 8 6 6 E+ 0 3 P a 。拱肋应力最大变化量 一2 8 3 E+ 0 6 P a ， 横梁应力最大变化量为 2 1 8 E+0 6 P a ， 短 吊杆 最大位移量 2 7 5 ram( 换算成索力 5 2 6 E+0 4 N， 桥 面纵 向位 移 量 为 一l 3 2 5 ( 内 缩 )一1 4 8 6 l n m( 伸 长) 。所监测的各参数一方面反应了大桥运营荷载 的变化 ， 另一方面也反应了大桥受温度变化的影响， 由于实际荷载的随机变化 、 传感器本身的灵敏度、 测 量误差等方面因素 ， 部分测点 的参数变化呈无规律 状， 但总体均处于所预设 的阀值范 围内。监测数据 表明了所构建的健康监测系统 的有效性 ， 且桥梁各 监测指标均处于正常 的变化范围， 桥梁总体处于安 全 、 可控 的状态 。 2 3 4 5 6 f 7 】 8 9 1 O 参考文献 谢开 仲 ， 韦立林 ， 李海 钢管混 凝土拱桥健 康监测 系统研 究 J 广西大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 2 71 3 0 刘小会 桥梁工程检测 技术探究 J 城 市道桥 与防洪 ， 2 0 1 2 ( 7 )： 1 8 01 8 3 陈钒 既有钢管混凝 土拱桥实 时监测评 估系统 J 桥梁建 设 ， 2 0 1 0 ， 1 9 8 ( 1 ) ： 7 9 8 3 贺淑龙 ， 胡柏 学 ， 曾威 ， 等 矮寨 特 大桥 结构 健康 监 测 系统 J 中外公路 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 6 ) ： l 0一l 3 J T G I ) 6 22 0 0 4， 公路钢筋混凝土 及预 应力混 凝土桥涵设计 规 范 S 张俊平 桥 梁检测与维修加固( 第 2版) M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 1 1 邢丹丹 ， 张立 涛， 段 雨芬 基 于小 波分析的大跨径桥梁 健康 监 测 数据预处理研究 J 公路工程 ， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 3 ) ： 5 2 5 5 李惠 ， 周文松 ， 欧进 萍， 等 大型桥 梁结构智 能健康监 测系 统 集成技术研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 2 ) ： 4 6 5 2 骆红军 桥梁结构安全监测 的动力响应法 与评估系统 J 公 路 工 程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 3 ) ： 6 6 6 9 Z o n g Z ho u h o n g ， W a n g T L， Hu a n g D Z， e t a 1 S t a t e o Lt h e a n Re p o r t o f B ri d g e He a l t h Mo n i t o ri n g J J o u r n a l o f F u z h o u U n i v e r s i t y ( N S E) ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 2 21 5 7 Ro b e r t J L a r k “ Co n d i t io n Mo n i t o rin g a n d t h e As s e s s me n t o f B r - i d g e S t r u c t u r e s a t t h e S e r v i c e a b i l i t y L i mi t S t a t e ” F i rst I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n B ri d g e Ma in t e n a n c e J S a f e t y a n d Ma n a g e me n t ， J u l y ， 2 0 0 2 ( 上接 第 2 4页) 义 。 1 2 】 3 4 5 参考文献 李广信 高等土力学 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 王平恒 ， 冯子元 ， 张瑞 贵 香根草技术在 高速公路边坡 防护中 的应用 J 西部交通科技 ， 2 0 1 1 ， 4 4 ( 3 ) ： 7 8 7 9 姚环 ， 沈骅 李颢 香根草固土护坡工程特性 初步研究 J 中 国地质灾害与防治学报 ， 2 0 0 7， 1 8 ( 2 ) ： 6 36 8 COTE CCHI A F C HANDL ER R J A g e n e r a l f r a me wo r k f o r t h e me c h a n i c a l b e h a v i o u r o f c l a y s J G r o t e e h n i q u e ， 2 0 0 0， 5 0 ( 4) ： 4 3 1 4 4 7 王立忠， 沈恺伦 固结结构性 软黏土 的旋 转硬 化规 律研究 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 8， 3 3 0 ( 6) ： 8 6 38 7 2 6 7 8 9 1 O 熊春发， L 令伟 ， 杨爱武 海积软黏土力学特性与应力 路径的 关联性研究 J 岩 土工程学报 ， 3 5 ( 2 ) ： 3 4 1 3 4 5 刘恩龙 ， 沈珠江 不 同应 力路径下结 构性土 的力 学特性 J 岩土力学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 o ) ： 2 0 5 82 0 6 4 常银生 ， 王旭 东， 宰金珉 ， 等 黏性土应力 路径试验 J 南京 工业大学学报， 2 0 0 5。 2 7 ( 5 ) ： 61 1 王洪瑾 ， 张 国平 ， 周克骥 固有 和诱 发各向异性对击 实黏性土 强度和变形特性 的影响 J 岩土工程学报 ， 1 9 9 6 ， 1 8 ( 3) ： 1一 1 0 沈恺伦 ， 王立忠 天然软 黏土屈服 面及流 动法则 试验研 究 J 土木工程 学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 4 )： 1 1 91 2 7 S UL TAN N， CUI Y J DEL AGE P Yi e l d i n g a n d p l a s t i c b e h a v i o u r o f B o o m c l a y J G r o t e c h n i q u e ， 2 0 1 0 ， 6 0 ( 9 ) ： 6 5 7 6 6 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m