斜拉桥健康监测实施方案.doc

重庆李家沱长江大桥 长期健康监测方案 重庆交通大学重庆交通大学 2009 年年 5 月月 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 1 目目 录录 一 项目概况及意义一 项目概况及意义 1 1 11 1 大桥工程概况及现状大桥工程概况及现状 1 1 1 11 1 1 工程概况工程概况 1 1 21 2 本桥健康监测的意义及必要性本桥健康监测的意义及必要性 3 1 31 3 本桥健康监测的难点本桥健康监测的难点 6 二 大桥健康监测系统总体设计二 大桥健康监测系统总体设计 7 2 12 1 设计原则设计原则 7 2 22 2 系统功能总框架系统功能总框架 8 2 32 3 系统硬件总框架系统硬件总框架 9 三 健康监测范围三 健康监测范围 10 3 13 1 实时监测范围实时监测范围 10 3 23 2 定期监测范围定期监测范围 10 四 监测项目及监测方法四 监测项目及监测方法 11 4 14 1 监测方案的特殊要求监测方案的特殊要求 11 4 24 2 桥梁位移变形监测桥梁位移变形监测 12 4 34 3 主梁 索塔控制截面应力监测主梁 索塔控制截面应力监测 16 4 44 4 温度监测温度监测 19 4 54 5 大桥结构动力特性监测大桥结构动力特性监测 20 4 64 6 斜拉索索力监测斜拉索索力监测 23 4 74 7 风速风向监测风速风向监测 25 4 84 8 定期监测定期监测 26 4 94 9 全桥传感器测点布设情况汇总全桥传感器测点布设情况汇总 29 五 数据采集 传输 处理和控制子系统五 数据采集 传输 处理和控制子系统 31 5 15 1 数据采集子系统数据采集子系统 31 5 25 2 数据传输子系统数据传输子系统 33 5 35 3 数据处理和控制子系统数据处理和控制子系统 34 六 系统软件的设计六 系统软件的设计 36 6 16 1 数据采集管理系统数据采集管理系统 36 6 26 2 结构监测信息管理系统结构监测信息管理系统 37 6 36 3 数据库管理系统数据库管理系统 38 七 结构健康评估七 结构健康评估 39 7 17 1 总体设计总体设计 39 7 27 2 李家沱长江大桥评估模型李家沱长江大桥评估模型 40 八 系统运行管理及人员培训八 系统运行管理及人员培训 45 8 18 1 系统管理系统管理 45 8 28 2 人员培训人员培训 45 九 现有工作基础九 现有工作基础 47 十 技术 经济效益 推广应用及产业十 技术 经济效益 推广应用及产业化化前景前景 49 10 110 1 技术 经济效益分析技术 经济效益分析 49 10 210 2 推广应用及产业化前景推广应用及产业化前景 49 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 2 十一 计划实施年限 经费概算与资金筹措十一 计划实施年限 经费概算与资金筹措 51 11 111 1 年度计划年度计划 51 11 211 2 人员组成人员组成 51 11 311 3 经费概算经费概算 52 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 1 一 项目概况及意义一 项目概况及意义 1 11 1 大桥大桥工程概况及现状工程概况及现状 1 1 11 1 1 工程概况工程概况 重庆李家沱长江大桥位于重庆市西郊九龙坡地区 大桥南岸为李家沱工业 区 北岸为九龙坡区 主孔全长 1288m 跨径组合为 过渡孔 53m 主孔 169m 444m 169m 过渡孔 53m 南引桥 8x50m 桥面宽度为 4 车道 中间 设置分隔带 宽 24m 图图 1 1 重庆李家沱长江大桥全景重庆李家沱长江大桥全景 该桥结构体系为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥 塔 墩固结 主梁为纵 向悬浮体系 塔梁交叉处设置横向限位装置 在过渡孔与北台及南引桥结合处 设置大位移量伸缩缝 主梁采用扁平的实心双主梁断面 主梁肋高 2 5m 宽 1 7m 横梁间距为 4 5m 设置横向预应力钢束 主梁在中跨的中间部分及边跨的部分区段设置有 纵向预应力钢束 采用 OVM 锚具及高强度低松弛钢绞线 主塔呈花瓶形 塔 全高 141 5m 塔身为矩形空心断面 拉索采用扇形双索面布置 梁上索距为 9m 在塔上采用不等距排列 索距 1 5 1 6m 每个索面中有 24 对斜拉索 锚 具采用 LM7 型冷铸锚锚具 主桥两个主墩基础根据地形及地质条件并结合施工难易程度作了不同的处 理 2 墩采用 2 6 3 2m 的变截面挖孔桩基础 3 墩采用沉井基础 该桥于 1991 年开始施工 1997 年建成通车 1 1 21 1 2 大桥现状大桥现状 1997 年建成通车后 发现在中跨主梁和主塔斜拉索锚固区出现了大量裂缝 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 2 当时 业主委托西南交通大学对全桥的裂缝进行了普查及成因分析 得到以下 结论 1 主梁裂缝数量大 主要集中分布在 2 号墩 16 号锚箱至 3 号墩 16 号锚箱 之间约 150 m 长度的中跨梁段 且主要分布在主梁底面及其内侧面上 裂缝走 向以沿桥跨纵向为主 裂缝在侧面上的分布主要集中在自梁底面往上 0 20 1 20m 的高度范围内 梁体底面裂缝分布主要集中在锚箱两侧 主梁侧面裂缝深 度大多在 30 60 mm 之间 最大深度 97mm 间距大多在 0 15 0 45 m 之间 最大宽度 0 90 mm 主梁底面裂缝深度大多在 20 40 mm 之间 最大深度 91 mm 间距大多在 0 10 0 35mm 之间 最大宽度 0 56 mm 2 少数主梁节段梁底面的侧面上存在横向和竖向裂缝 裂缝宽度多在 0 10 mm 以下 最大为 0 13 mm 裂缝深度一般在 20 50 mm 范围 从裂缝形态上看 此类裂缝属于混凝土收缩裂缝 3 横隔板及顶板裂缝主要集中在中跨 2 号墩侧 C27 C31 C38 C39 C41 C43 和 3 号墩侧 C39 C41 横隔板及其附近顶板上 裂缝多分布在横隔板与顶板之间的梗肋部位 并沿梗肋向顶板延伸 其它部位 裂缝较少 横隔板裂缝方向以竖向为主 在横隔板与主梁结合部位有一些呈 45 度走向的斜裂缝 而顶板上的裂缝多为顺桥纵向裂缝 横向裂缝很少 裂缝宽 度多数在 0 10 0 30 mm 之间 最大为 0 65mm 横隔板裂缝长度多数不超过 1 m 最长为 1 10 m 4 2 号墩上游塔柱裂缝主要集中在 17 24 号锚箱之间的区段 其它 3 个塔 柱裂缝主要集中在 20 24 号锚箱之间的区段 裂缝基本上呈水平走向 在 3 号 墩下游塔柱 24 号锚箱上侧 出现最长裂缝约 15m 3 号墩下游塔柱西南角南面 裂缝深度多在 30 60 mm 之间 最大深度 64 mm 其它位置的裂缝深度多在 20 40 mm 之间 5 主梁和桥塔混凝土裂缝为非结构性受力裂缝 6 既有裂缝不会影响桥梁目前的正常运营 7 考虑到梁体混凝土裂缝的数量 宽度 深度等均较大 部分裂缝已经深 入到主筋以内 将会严重影响到桥梁的耐久性 根据裂缝成因综合结论 当时对桥塔和主梁的裂缝进行整治 同时也对塔 柱上封锚砼进行整治 以达到封闭裂缝 防止裂缝进一步扩展的目的 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 3 2008 年底进行的桥梁外观检查 反映出该桥目前主要缺陷有 1 塔柱砼外观共发现裂缝 20 条 最长的达 8m 裂缝宽度最宽达 0 25cm 多处由于钢筋锈蚀膨胀引起的砼脱落 3 处砼空洞 钢筋露筋 个别 钢筋锈蚀严重 23 处预埋钢板外露并有不同程度的锈蚀 约 80 的拉杆位置钢 管头外露锈蚀 塔柱外观涂装多处大面积开裂 起壳 脱落 2 主桥车行道部分出现原修补处的沥青砼铺装层周边冒浆 沥青砼路面出 现网状裂缝及横 纵 斜向裂缝并同时有洞穴 坑函等现象 部分沥青混凝土 碎裂和空鼓 在主桥车行道 2 号墩边跨 3 号墩下游中跨处出现了穿透型裂缝 和沥青砼脱落的现象 3 主引桥钢护栏和立柱出现点状锈蚀 在交接处锈蚀严重 主梁底部已锈 穿 伸缩缝锚固混凝土开裂 出现裂缝 主桥主梁底板部分出现了渗水和露筋 现象 4 横系梁出现了斜裂缝 在 3 号墩上游中跨 20 号索出现了 3 处渗水 5 拉索边中跨总索力差值最大变化至成桥索力值的 4 15 2 墩 2008 年 6 月中跨下游 设计值的 8 06 3 墩 2008 年 6 月中跨下游 1 21 2 本桥健康监测的意义及必要性本桥健康监测的意义及必要性 1 2 11 2 1 桥梁健康监测系统的研究现状与发展桥梁健康监测系统的研究现状与发展 许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了有益的尝试 丹麦曾对 总长 1726m 的 Faroe 跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测 另外 他们 在主跨 1624m 的 Great Belt East 悬索桥上也开始了相关的尝试 泰国与韩国目 前也已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备 香港 的青马大桥 内地的虎门大桥 徐浦大桥 江阴大桥等在施工阶段也已开始传 感器的安装 以备将来运营期间的实时监测 这些健康监测技术的成功开发与 应用将起到确保桥梁安全运营 延长桥梁使用寿命的作用 同时通过早期桥梁 病害的发现能大大节约桥梁的维修费用 可以避免最终频繁大修关闭交通所引 起的重大损失 目前 国内外已经采用了健康监测系统的部分桥梁见表 1 1 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 4 表表 1 11 1 安装了健康监测系统的部分桥梁安装了健康监测系统的部分桥梁 桥名结构类型跨度 m 位置 明石海峡大桥悬索桥 960 1990 960 日本 Great Belt 悬索桥 535 1624 535 丹麦 江阴桥悬索桥 1388 中国 青马桥悬索桥 1375 中国香港 Namhae 悬索桥 128 404 128 韩国 Seohae Bridge 斜拉桥 60 200 470 200 60 韩国 Sharsundet 斜拉桥 240 530 240 挪威 RamaIX 斜拉桥 166 450 166 泰国 距石 岛桥斜拉桥 700 日本 Storck s Bridge 斜拉桥 63 61 瑞士 徐浦大桥斜拉桥 590 中国 滨州黄河大桥斜拉桥 84 300 300 84 中国 松花江大桥斜拉桥主跨 365中国 重庆大佛寺长江大桥斜拉桥 198 450 198 中国 芜湖长江大桥斜拉桥 180 312 180 中国 东营黄河大桥斜拉桥 60 5 136 5 288 136 5 60 5 中国 柳州三门江大桥斜拉桥 100 160 100 360 中国 润扬大桥斜拉桥 175 4 406 175 4 中国 淮安大桥斜拉桥 152 370 152 中国 汀九桥斜拉桥 127 448 475 127 中国香港 汲水门桥斜拉桥 160 430 160 中国香港 桥梁结构健康监测不只是对传统桥梁检测技术的简单改进 而是运用现代 的传感与通讯技术 实时监测桥梁运营阶段在各种环境荷载条件下的结构相应 与行为 获取反映结构状态和环境因素的各种信息 由此分析结构的健康状态 评估结构的可靠性 为桥梁的管理与维护提供科学依据 对于具体的一座桥梁 由于其本身的结构特点和监测重点的不同 因此其相应的监测内容 规模 方 式和手段及监测效果也各不相同 桥梁健康检测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估 从而为桥 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 5 梁工程在特殊气候 交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号 为桥梁 维护 维修与管理决策提供依据和指导 根据目前国内外最新的发展 现代桥 梁健康监测诊断的主要内容可概括为 3 个方面 结构损伤状态的识别 定位与 标定 有损桥梁结构的功能定量评估 有损桥梁结构的使用风险趋势预测 由 于运营中的桥梁结构及其环境所获得信息不仅是理论研究和实验室调查的补充 而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息 因此桥梁健康监测带 来的将不仅是监测系统和某种特定桥梁设计的反思 它还可能并成为桥梁研究 的现场实验室 在目前阶段我国不宜普遍建造桥梁结构健康监测系统 但精选个别几座代 表性的大桥建造高质量的桥梁结构健康监测系统是必要的 因为他们提供了高 水平的研究实验平台 有了高质量的桥梁结构健康监测系统 就可以随时做足 尺全桥实验 从而大大加速我过桥梁结构健康监测系统整个领域的研究 1 2 21 2 2 本桥健康监测意义本桥健康监测意义 近年来随着大跨径桥梁的轻柔化及形式与功能的复杂化 车流量的持续增 加 对已建成的桥梁建立长期的安全健康监测 振动和损伤控制系统 将会越 来越必要和迫切 健康监测技术的成功开发与应用将起到确保桥梁安全运营 延长桥梁使用寿命的作用 同时通过早期桥梁病害的发现能大大节约桥梁的维 修费用 可以避免最终频繁大修关闭交通所引起的重大损失 在桥梁的建造和 长期服役过程中 由于受到车辆 风 人为等外部因素以及材料性能的退化 疲劳效应等内部因素的影响 桥梁结构的安全性 适用性和耐久性有很大的降 低 因此 桥梁健康监测及安全评估尤为重要 李家沱长江大桥已建成运营 12 年 经检测发现桥梁中存在一定程度的病害 该类型桥梁的健康检测系统与新建桥梁的健康检测系统有较大的不同 必须考 虑桥梁结构损伤的影响 可借鉴的成桥监测技术较少 也不完善 相比桥梁设 计理论和建设技术的飞速发展 传统的桥梁测试技术相对落后 为了适应上述 发展 桥梁的长期在线健康监测技术逐渐发展起来 对桥梁进行长期在线健康 监测 不但可以验证桥梁的设计理论和建设技术 还可以在营运期内对桥梁进 行观测 研究桥梁在正常状态下的行为 考虑到大桥在运营阶段 由于受气候 氧化 腐蚀和老化等因素影响 在 长期静载和活载的作用下容易遭受损坏 尤其是其超载情况严重 大大超出设 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 6 计时所预计的车流量及超重荷载 从而导致桥梁强度和刚度随着时间的增加而 降低 这不仅会影响安全行车 更会缩短桥梁的使用寿命 因此 为确保桥梁 的使用安全 有必要针对本桥特点 建立和发展一个长期健康监测系统 利用 现代化的诊断量测手段 通过对大桥关键部位的空间位置 力学性能及其变化 的长期和定期监测 分析 长期积累数据 用来监测和评估大桥在运营期间结 构的承载能力 运营状态和耐久能力 从而确保桥梁的使用安全与延长寿命 便于实现防患于未然 实现实时或准实时的损伤监测 对大桥结构服役期间出 现的损伤进行定性 定位和定量分析 分析其病害状况及病害成因 为今后进 一步的桥梁病害防治及维修加固决策提供科学可靠的依据 因此桥梁健康监测 不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术 而是被赋予了结构状态监控与评 估 设计理论验证和设计规范的研究与发展三方面的意义 1 31 3 本桥健康监测的本桥健康监测的难点难点 1 李家沱长江大桥属于建成多年的预应力混凝土斜拉桥 当前结构实际状 态较难确定 2 结构的损伤识别存在较多问题 3 斜拉索索力的监测手段及评估方法需进一步完善 4 需考虑多类型传感器的数据采集及处理 5 基于健康监测信息的结构有限元模型修正方法有待进一步研究 6 实现将桥梁的健康监测系统与管理养护系统有机的结合 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 7 二 大桥健康监测系统总体设计二 大桥健康监测系统总体设计 为了更好的了解桥梁的运行状态 有关单位定期对相关的桥梁进行了病害 检测 并给出了相应的维护解决方案 对于新建桥梁 在考虑在施工过程中就 引入健康检测理念 并根据大桥施工进度进行安装调试 但现有桥梁的健康检 测系统 由于缺乏统一规划 在设计 实施 维护等过程中 一般都以各自独 立的方式进行运作 缺乏对长远的考虑 鉴于此 对于主城区的大型桥梁 考虑按照统一规划 分步实施的原则 建立总体的监测系统框架 根据项目时间 资金配比等等 成熟一个 实施一 个 逐步实现主城区大型过江桥梁的集中健康监测系统 为桥梁的维修 养护 与管理决策提供依据和指导 新建桥梁 在设计过程中引入健康监测理念 结合施工监测中的数据 在 通车前完成健康监测系统的安装调试工作 原有桥梁 通过体检 对桥梁的健康状况进行评估 然后根据桥梁的特征 和现状 实施健康监测系统的安装 各个桥梁的健康监测系统 既可独立运行 又能够提供向上的接口 集成 到上级监控中心的系统里面 最终实现集中 分权 分域管理的模式 图图 2 12 1 多座大桥健康监测系统集成示意图多座大桥健康监测系统集成示意图 目前本建议书中仅针对运营的李家沱长江大桥 根据以上思路 提出相应 的系统方案 2 12 1 设计原则设计原则 李家沱长江大桥健康监测系统是一个集结构分析计算 计算机技术 通信 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 8 技术 网络技术 传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程 为使李家沱 长江大桥健康监控系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评 估 满足桥梁养护管理和运营的需要 同时又具经济效益的结构健康监控系 统 遵循如下设计原则 1 遵循总体设计 分步实施的指导思想 2 遵循简洁 实用 性能可靠 经济合理的原则 3 系统设置首先需满足李家沱长江大桥养护管理和运营的需要 立足实用 性原则第一 兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素 4 根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设 5 易损性分析原则考虑以下方面 不同类型的结构受力特点 构件的工作特征 设计时不同类型结构的控制断面 控制点 结构不同类型材料的材料特性 使用特性 结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位 基于既有同类型结构已发生的损伤部位 目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位 6 监测与结构安全性密切相关内容 主要监测一些有代表性的结构 必须 进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应 7 从动力 静力 耐久性对结构进行监测 力求用最少的传感器和最小的 数据量完成工作 8 以结构位移监测为主 以力 应力 模态分析为辅助 9 系统应具有可扩展性 2 22 2 系统功能总框架系统功能总框架 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 9 图图 2 2 系统功能总框架图系统功能总框架图 2 32 3 系统硬件总框架系统硬件总框架 图图 外场 机柜 配电 防雷 远程电 源监控 U P S 综合 布线 辅助支 持系统 李李家家沱沱长长江江大大桥桥 检测区段桥梁结构 传感器 子系统 集线器 各类传感器 传感器调理采 集设备 调理采 集设备 数据采集子系统 专用传感器调 理采集设备 采集计算机 WINDOWS 操作系统 结点交换机 箱梁内工作站机柜 检测区段桥梁结构 集线器 各类传感器 传感器调理采 集设备 调理采 集设备 专用传感器调 理采集设备 采集计算机 WINDOWS 操作系统 结点交换机 箱梁内工作站机柜 数据传输子系统 综合监控数据传输主干网络 交换机及其他网络设备 监控终端 监控终端 数据接收 数据处理 数 据库服务器 WINDOWS 操作系统 应用服 务器 综合监控 网络设备 监控中心局域网 监控终端 监控终端 INTERNET 数据处 理与控 制子系 统 图图 2 3 系统硬件总框架图系统硬件总框架图 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 10 三 健康监测范围三 健康监测范围 监测范围的选取应遵循传感器实时监测和人工定期监 检 测相结合的原 则 监测内容能覆盖结构评估的要求 根据以上原则 考虑到本桥建设过程中 的特点并结合大桥近期实际运营状况 本桥健康监测系统的监测范围如下 3 13 1 实时监测范围实时监测范围 表表 3 1 实时监测范围表实时监测范围表 序号实时监测内容监测目的 1索力 斜拉索索 力及振幅 掌握主要索的索力及加速度振幅情况 2变形实时位移掌握主梁挠度变形及主塔偏位实时情况 3 结构 温度 掌握大桥梁部 塔部主要结构断面的结构温度情况 4大气温度掌握大桥塔内外的大气温度 5 环境 风速风向掌握大桥风速风向 用以推算大桥结构所受到的风荷载 6动力振动 掌握大桥梁部 塔部结构实时振动响应 用以计算结构模态参 数 7应变 掌握大桥动静荷载作用下的结构应力应变情况 用以设置响应 预警阈值 8 梁端 位移 掌握大桥伸缩缝位置梁端实时位移 3 23 2 定期监测范围定期监测范围 表表 3 2 定期监测范围定期监测范围 序 号 定期监测内容监测目的 1主墩沉降定期对主桥桥墩进行沉降测量 2斜拉索索力定期对未进行长期监测的斜拉索索力进行测试 3斜拉索探伤定期对全部斜拉索的防护套 锚固系统 减震器进行探伤 4混凝土强度定期对混凝土结构进行强度测量 评估大桥的安全性 5 安全性 混凝土裂缝定期对混凝土裂缝进行观测 评估大桥的安全性 4氯离子含量 定期对塔部混凝土进行混凝土氯离子含量测量 评估大桥的 耐久性 5 耐久性 碳化深度 定期对塔部混凝土进行混凝土碳化深度测量 评估大桥耐久 性 6桥面线形定期进行桥面线形测量 评估大桥的适用性 7 适用性 其它外观检 查 桥面状况 伸缩缝状况 支座状况 护栏状况 排水设置状 况 照明设施状况 其它状况 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 11 8其它车流量数据 定期对车流量进行调查 为评估车辆荷载对大桥健康状况的 影响提供依据 车流量作为影响桥梁工作状况的重要因素 是深入分析评估桥梁状态的重要依据 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 11 四 四 监测项目及监测方法监测项目及监测方法 4 14 1 监测方案的特殊要求监测方案的特殊要求 李家沱长江大桥为大跨径双索面混凝土斜拉桥 建成时间较长 在多种因 素作用下出现了部分病害 作为在旧有桥梁上建立的健康监测系统 为制定适 合该桥的健康监测方案 需采取以下具体措施 1 结构静动力分析计算 本桥自建成已运营多年 相比于桥梁的设计状态 而言 结构刚度 桥梁线形 拉索索力等方面均有所改变 因此 在对桥梁进 行理论计算分析时 应充分考虑到结构退化对计算模型 计算方法和计算结果 的影响 并据此提出合理的传感器布设方式 2 结构应力监测 由于全部的传感器均为后安装方式 监测的数值多为相 对量的概念 虽然不影响对结构健康长期趋势的把握 但无法获得可以和设计 值直接比较的绝对值 一定程度上影响了结构健康评估 为此 需建立结构健 康监测数据与施工监测数据 成桥试验数据的关系 使结构健康监测数据能在 一定程度上转换成绝对值 3 主梁横隔板应力监测 本桥中跨主墩附近的主梁横隔板出现了竖向及斜 向裂缝 为确定造成裂缝的原因 研究混凝土徐变和剪力滞对横隔板受力的影 响 观察裂缝的发展趋势 指导桥梁管理养护工作 可在出现病害的横隔板处 布置应变传感器 建立横隔板的长期监测机制 4 索力监测 根据索力长期健康监测的需要 需要对关键索布设索力传感 器进行实时监测 但在大桥长期运营过程中 可能存在其它拉索也出现索力变 化较大的病害 因此 监测系统应具有适应索力测点位置改变或索力测点数量 增加的功能 5 索力计算 由于李家沱长江大桥斜拉索使用阻尼器 会影响使用振动法 测得的绝对索力数据的准确性 为此 有必要专项分析成桥后的索力计算公式 并需收集施工阶段 成桥试验 定期检测的索力数据 以与健康监测所测得的 索力数据做比对分析 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 12 6 主墩沉降监测 分析近 3 年的监测数据 主桥桥墩沉降已趋于稳定 因 此本系统中将该项作为定期监测项目 但其监测数据仍作为重要的状态评估指 标 4 24 2 桥梁位移变形监测桥梁位移变形监测 桥梁位移变形监测是利用测量手段 对桥梁各控制断面的位移变形进行监 测 并绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位移变形状态 从而为总体评估大桥的承载能力 营运状态和耐久能力提供依据 4 2 14 2 1 主梁位移变形监测主梁位移变形监测 1 主梁竖向挠度监测 根据大桥的受力控制断面 主梁的变形测量主要选择了以下几个项目 1 主梁竖向挠度变形观测 采用了基于连通管液位测量原理的静力水准 仪 沿重庆李家沱长江大桥的主梁安装连通管 并在关键位置引出支管 安装 11 个精密液位计 不动点 1 个 布置在交接墩主梁跨中处 液位计布置情况 见图 4 1 4 3 所示 图图 4 1 主梁挠度监测液位计布置示意图主梁挠度监测液位计布置示意图 图图 4 2 主梁挠度监测液位计横截面布置示意图主梁挠度监测液位计横截面布置示意图 主梁挠度测点 不动点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 13 图图4 34 3 主梁测试断面 主梁测试断面 连通液位沉降连通液位沉降计及采集系统结构示意图计及采集系统结构示意图 静力水准仪是一种智能型位移传感器 由精密液位计 液位罐和连通管组 成 适用于建筑物多点沉降精密测量 适应长期监测和自动化测量 安装时将 精密液位计设置在被测点 液位罐设置在不动点 水平基点 并用连通管连接 其原理是通过液位的变化测量被测点相对水平基点的沉降变形 温度变化蒸发 的因素引起的液位变化对基准和各个测点有相同的影响 可以通过相减抵消 而挠度引起的液位变化对基准点和测点的影响不同 相减后则保留下来 因而 这一系统测量不受温度和液体蒸发的影响 数据采集 计算 处理采用 SEN HOR 光纤光栅静力水准仪 该系统具有测试精度高 可远程监测 组网能力强 自带温度补偿等优点 可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网 其仪 器主要技术 图图4 44 4 SEN HORSEN HOR光纤光栅静力水准仪光纤光栅静力水准仪 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 14 参数见下表 表表 4 1 静力水准仪参数表静力水准仪参数表 项目 参数 标准量程 0 100 mm 测量精度 1 F S 分 辨 率0 01mm 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围 1525nm 1565nm 尺 寸 90 200mm 连接方式FC PC 或熔接 外 封 装不锈钢外壳铠装引线 安装方式打孔或焊接安装 温度补偿形式自补偿 使用温度 30 85 2 主梁纵向位移监测 主梁纵向位移监测也是对大桥伸缩缝伸缩量的实 时监测 是大桥健康监测的一项重要内容 影响伸缩缝伸缩量的基本因素较多 首先温度变化是影响伸缩量的主要因素 由于温度使桥梁内部温度分布不均匀 会引起大跨径桥梁端部产生角变位 其次 活载 恒载等会使桥梁端部发生角 变位 而使伸缩装置产生垂直 水平及角变位 地震对伸缩装置的变位影响比 较复杂 目前还难以把握 在设计系统时一般不予考虑 本项目通过测量主桥 主梁梁端与相邻引桥梁端上固定点之间的距离变化来测定主梁纵向位移变化规 律 梁端各设 2 个测点 共计 4 个测点 采用 SEN D2 拉线式位移传感器 其 主要技术参数为 表表 4 2 拉线式位移传感器参数表拉线式位移传感器参数表 项目参数 标准量程0 1 m 测量精度5 F S 分 辨 率1 mm 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围1525nm 1565nm 尺 寸221 5 103 30 mm 连接方式FC PC 或 熔接 温度补偿形式自补偿 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 15 使用温度 30 85 本桥主梁纵向位移测点布置如图 4 5 所示 图图 4 54 5 主梁纵向位移监测位移传感器布置示意图主梁纵向位移监测位移传感器布置示意图 4 2 24 2 2 索塔位移监测索塔位移监测 索塔作为索支承桥梁的主要承重构件 其刚度远大于柔性的斜拉索和桥面 主梁 涉及索塔结构安全的主要问题有 塔身在强风 地震等荷载作用下的稳 定性 在纵向不平衡荷载作用下可能导致的横梁与塔身连接部的开裂 塔身混 凝土的徐变收缩导致的斜拉索下垂和相应的索力的变化 图图 4 64 6 倾斜计倾斜计 主塔侧移监测 采用倾斜计进行测量 SEN TILT 光纤光栅倾斜计可用于 对本桥主塔整体倾斜进行实时监测 传感器底座通过焊接或打孔安装 此系统 具有自动温度补偿功能 光纤光栅倾斜计具有精度高 灵敏度高 自动温度补 偿 实时动态监测等优点 可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网 表表 4 3 光纤光栅倾斜计技术参数表光纤光栅倾斜计技术参数表 梁端位移量测点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 16 项目 参数 标准量程 5 测量精度 0 05 分 辨 率0 005 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围 1525nm 1565nm 尺 寸113 32 50 mm 连接方式FC PC 或 熔接 温度补偿形式自补偿 使用温度 30 85 重庆李家沱长江大桥上共需安装 8 套这光纤光栅倾斜计 4 个塔柱各安装 2 套 分别对主塔横桥向和纵桥向进行侧移监测 图 4 7 图图4 7 主塔侧移监测倾斜计传感器布置示意图主塔侧移监测倾斜计传感器布置示意图 4 34 3 主梁 索塔控制截面应力监测主梁 索塔控制截面应力监测 4 3 14 3 1 主梁应力监测主梁应力监测 运营状态中的预应力混凝土梁的应力 应变的变化是由于梁结构的外部条 件和内部状态变化引起的 外部条件主要有斜拉索索力 支座的变化及车辆荷 载的作用等 而内部状态有混凝土的收缩徐变 温度变化及预应力损失等 监 测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监测 研 究主梁结构的内力分布 局部结构及连结处在各种载荷下的响应 为结构损伤 识别 疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据 同时 通过控制点上的应 力和应变状态的变异 检查结构是否有损坏或潜在损坏的状态 一般的应力应变 监测采用电阻应变传感器 但电阻式应变仪的零漂 接触电阻变化以及温漂等 索塔位移测点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 17 给系统带来一定的误差 且电阻式应变传感器的寿命较短 故从长期监测和信 号传输等方面考虑 宜采用 或部分采用 适合长期监测用的 SEN S1 表面安装 式光纤光栅应变传感器 本桥应力监测截面包括两边跨和主跨的跨中截面 主跨 1 4 截面和墩顶附 近的主梁截面共 7 个截面 每个截面上布置 5 个正应力监测点 同时 在主墩 附近的横隔板梗肋处增设应变传感器 8 个 全桥共计 43 个应力应变传感器 测 点布置情况如图 4 8 4 9 所示 图图 4 8 主梁应力监测应变传感器布置示意图主梁应力监测应变传感器布置示意图 图图 4 9 主梁截面应力测点布置图主梁截面应力测点布置图 4 3 24 3 2 索塔应力监测索塔应力监测 索塔在施工过程中将承担巨大的轴向压力 同时对于施工中可能出现的荷 载不对称情况 将使索塔产生附加弯矩 这对索塔的受力是不利的 因此应对 主塔截面进行应力监测 观测元件同样采用 SEN S1 表面安装式光纤光栅应变 传感器 索塔应力监测截面为主梁附近的塔体截面和塔身拉索锚固区中部截面 各塔柱截面共布置 6 个应变传感器 共计 24 个 其测点布置情况如图 4 10 所 主梁应力测点 横隔板应力测点 主梁应力测点 横隔板应力测点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 18 示 图图 4 104 10 主塔应力监测应变传感器布置示意图主塔应力监测应变传感器布置示意图 4 3 34 3 3 系统主要配置系统主要配置 应变传感器 SEN S1 表面安装式光纤光栅应变传感器 SEN S1 表面安装式光纤光栅应变传感器主要用于测试主梁及主塔的应变 既可以进行长期监测 又可以在短期监测完成后重复使用 现场安装时先将底 座固定在混凝土表面 然后通过螺母将传感器方便地固定在底座上 也可以采 用焊接的方式实现对主梁表面的非胶封装工艺 与同类产品相比 具有精度高 灵敏度高 寿命长等优点 可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网 图图 4 114 11 SEN S1SEN S1 表面安装式光纤光栅应变传感器表面安装式光纤光栅应变传感器 表表 4 44 4 光纤光栅应变传感器技术参数表光纤光栅应变传感器技术参数表 项目 参数 CD B A 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 19 标准量程 1500 测量精度 1 F S 分 辨 率0 1 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围 1525nm 1565nm 尺 寸 12 188 mm 连接方式FC PC 或熔接 安装方式打孔安装或焊接 使用温度 30 120 4 44 4 温度监测温度监测 通过对桥梁温度场分布状况的监测 可为桥梁设计中温度影响的计算分析 提供原始依据 对不同温度状态下桥梁的工作状态变化 如桥梁变形 应力变 化等进行比较和定量分析 对于桥梁设计理论的验证和完善均有积极意义 本 健康监测系统中采用光纤光栅温度传感器 构成单线多点温度测量系统进行桥 梁结构温度分布状况的监测 各温度传感器以并联方式与网络节点连接 通过 网络总线实现与计算机进行通信 实现对温度的自动远程监测 全桥测量截面布置情况如图 4 12 所示 图图 4 124 12 李家沱长江大桥主梁 索塔温度监测截面布置示意图李家沱长江大桥主梁 索塔温度监测截面布置示意图 4 4 14 4 1 主梁温度监测主梁温度监测 主梁截面温度分布测量的目的是为了梁体的温度场情况 并对应变传感器 得到的应变数据进行温度修正 故选择截面与主梁的应变传感器布置截面相同 每个截面布置 5 个 全桥主梁共布置 43 个温度测点 测量元件采用 SEN T1 表 面式光纤光栅温度传感器 其测点布置情况同应力测点布置 4 4 24 4 2 索塔温度监测索塔温度监测 索塔温度分布测量主要是指测量索塔在日照条件下 各塔壁的温度差异 以便对索塔由塔壁温度差引起的索塔偏移有一个正确的估计 测量元件采用 索塔 主梁温度测点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 20 SEN T1 表面式光纤光栅温度传感器 测点布置截面与索塔应力监测截面相同 各塔柱共布置 6 个测点 共 24 个温度传感器 其测点布置情况同主塔应力监测 应变传感器布置 4 4 34 4 3 系统主要配置系统主要配置 1 温度传感器 SEN T1 表面式光纤光栅温度传感器 如图 4 13 所示 图图 4 134 13 SEN T1SEN T1 表面式光纤光栅温度传感器表面式光纤光栅温度传感器 表表 4 54 5 光纤光栅温度传感器技术参数表光纤光栅温度传感器技术参数表 项目 参数 标准量程 30 180 测量精度 0 5 分 辨 率0 01 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围 1525nm 1565 nm 尺 寸 8 88 mm 连接方式FC PC 或熔接 安装方式表面安装或直埋 使用温度 30 180 4 54 5 大桥结构动力特性监测大桥结构动力特性监测 桥梁动态性能的改变反映了桥梁刚度性能的改变 因而获取桥梁的动力特 性即获取了结构的 指纹 作为评价桥梁健康状态的主要指标 桥梁结构的受 损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果 而桥 梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果 对于悬吊支承结构的桥梁 其悬吊体系 斜拉桥的斜拉索 不仅影响主梁 结构的动力特性和受力特性 而且其本身在交变应力与环境腐蚀的相互作用下 是导致疲劳和锈蚀损伤扩展的重要原因之一 结构的整体性能改变时 其模态 参数 如频率 振型等 也会发生相应的变化 通过对斜拉桥斜拉索的振动特 性的连续监测 可以考察斜拉桥的疲劳响应 进而考察结构的安全可靠性 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 21 影响主梁振动特性的主要因素是主梁结构本身的刚度 质量分布 阻尼等 同时环境温度 斜拉索索力 交通状况 索塔振动 风况等对主梁的振动特性 也有影响 主梁结构的动态响应往往与引起整体振动的强振源相联系 因此 通过对主梁和索塔振动的监测 不仅可以识别主梁结构的动态特性参数 还可 以实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录 振动特性的监测可采用加速度传 感器来实现 但是由于索塔 双肋梁 主缆 吊索 斜拉索各自的固有振动特 性不同 因此在选择传感器时要充分考虑传感器的技术性能 频率范围 灵敏 度 采样特性等 经过比较 现选用 SEN AL 光纤光栅加速度计 如图 4 14 所示 该类型 加速度计具有精度高 灵敏度高 抗干扰 寿命长等优点 可与其他类型的光 纤光栅传感器组成全光监测网 主要用于大桥 大坝 大型结构等低频振动监 测 图图 4 144 14 SEN ALSEN AL 光纤光栅加速度计光纤光栅加速度计 SEN AL 光纤光栅加速度计主要技术指标 表表 4 64 6 光纤光栅加速度计技术参数表光纤光栅加速度计技术参数表 项目 参数 标准量程 1 g 测量精度 1 F S 分 辨 率0 1 F S 在与 SEN 01 解调仪配套情况下 波长范围 1525nm 1565nm 尺 寸 65 56 113 mm 连接形式FC PC 或 熔接 温度补偿形式自补偿 使用温度 30 85 本桥在主梁跨中 1 4 跨中 边跨跨中以及塔柱附近的主梁截面进行监测 共布置了 7 个监测截面 其中塔柱附近的主梁截面纵向布置 中跨跨中纵 横 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 22 竖向布置 其余截面横 竖向布置加速度传感器 竖向加速度传感器布置在截 面上下游主梁上 横向和纵向布置在主梁截面顶板跨中 主梁共计 18 个加速度 测点 4 个塔柱顶端各布置 2 个测点 其中纵 横向各 1 个 主塔共计 8 个加 速度测点 全桥共布置加速度传感器 26 个 其测点布置如图 4 15 4 18 所示 图图4 15 主梁加速度计布置断面及测点示意图主梁加速度计布置断面及测点示意图 图图 4 16 竖向加速度计安装位置图竖向加速度计安装位置图 图图 4 17 纵 横向加速度计安装位置图纵 横向加速度计安装位置图 加速度测点 17 35 4 26 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 23 图图 4 184 18 主塔加速度计布置示意图主塔加速度计布置示意图 4 64 6 斜拉索索力监测斜拉索索力监测 大桥钢索索力状态是衡量桥梁是否处于正常运营状态的一个重要标志 斜 拉桥的使用性能主要取决于斜拉索 通过对索力的监测 不仅能为从总体上评 估大桥的安全性和耐久性提供依据 同时也能检测钢索的锚固系统和防护系统 是否完好 钢索是否锈蚀等 在斜拉桥的运营期内 准确掌握斜拉索索力分布 和索力变化有助于监测斜拉索的状态 分析索力对斜拉桥结构内力的影响和正 确指导索力校正 并作为进一步监测的依据 斜拉索的损坏因素主要有 由于 材质的缺陷 钢丝的破裂 锈斑等引起的局部疵点 由于外部的腐蚀或索股之 间的磨损而引起的截面缩减 由于外界激励 风 交通荷载等 的作用而引起 的疲劳损伤 斜拉索的风致振动 涡激振动 尾流弛振 雨振和紊流等 和由 支座振动引起的振动等如果过大会引起拉索端部钢丝的疲劳损坏 并会加速拉 索防护层质量的退化 甚至会引起防水罩或拉索护筒的损坏 使得拉索在远没 有达到设计寿命的情况下被迫更换 因此 根据有限元模型静力分析和模态分 析结果 考虑到斜拉索在结构安全中的重要性 本桥采用低频光纤光栅加速度 传感器对斜拉索进行振动监测 以确保监测的可靠性 同时记录环境温度 风 况 交通状况和主梁振动 索塔振动等测量值 以评估斜拉索工作的状况 指 导索力的校正 监测索的选取根据近 3 年检测的索力现状 结构静动力分析和 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 24 结构设计要素综合确定 现有的一些直接测量斜拉索索力的方法 如压力表测定法 电测法和钢索 测力仪法等 对于成桥的索力测试并不方便 也不便于应用在自动监测系统中 基于振动频率法测量索力是目前测量斜拉索索力最广泛采用的一种方法 但传 统上 在应用这一方法时需要人工摇索 无法实现自动测量 近年来 随着环 境激励技术的成熟 使得基于环境激励响应测量拉索索力成为现实 4 6 14 6 1 振动频率法监测索力基本原理振动频率法监测索力基本原理 振动频率法间接测量斜索索力的基本原理是将斜索视为弦在一个平面内的 振动 建立斜索自振频率与斜索张力间的函数关系 通过斜索的环境激励响应 分析斜索自振频率 再利用这一函数关系求取斜索索力 斜索自振频率和其张 力间的基本函数关系为 2 2 4 n f Tm l n 式中为斜索索力 为斜索单位长度质量 为斜索长度 为第阶 T m ln f n 自振频率 为振动的阶数 n 在实际的工程应用中还需考虑斜索垂度 斜索减振器附加阻尼 温度等因 素的影响 4 6 24 6 2 索力测试点布索力测试点布设设 索力测点选择在上下游边 中跨的最外边索以及 1 2 索面上 共计 16 个测 点 如图 4 19 所示 图图 4 19 索力测试布置图索力测试布置图 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 25 4 74 7 风速风向监测风速风向监测 4 7 14 7 1 监测意义监测意义 风速的大小对桥梁结构的受力状况具有很大的影响 它是大跨度桥梁的主 要荷载源 同时也会影响大桥的正常运营 本桥是一大跨径斜拉桥 随着桥梁 跨径的增大 风向风速对桥梁结构的影响也越来越明显 因此 针对本桥结构的 抗风性能的实时监测及评价就显得尤为重要 4 7 24 7 2 技术特点技术特点 风速风向监测是一项长期的工作 从长期监测和信号传输等方面考虑 经 筛选 宜采用适合长期监测的 HFY 1A 风向风速仪 对大桥进行实时监测 HFY 1A 风向风速仪的主要技术参数 测量范围 0 60 m s 0 360 精度 风速 0 5 0 03V m s 风向 5 电源 交流 20 1 10 V 直流 2V 4 2AH 工作环境 温度 40 55 湿度 0 100 RH 该仪器具有性能可靠 功能齐全 精度高 操作方便等特点 具有瞬时 二分钟和十分钟平均风向风速处理 显示 大风告警等功能 主机可任意设置 报警值 可存储前一日 24 小时数据 配有 RS232 接口 可与上位机进行通信 输出前一日 24 小时的整点 三小时数据和全天极大值及出现时间 大风告警持 续时间等数据 通过安装风速风向实时监测系统 能了解桥址处环境风力 风向变化情况 为分析桥梁的工作环境 评价行车安全状况 验证桥梁风振理论提供依据 同 时 也为进一步研究极限风环境下的大桥工作状况提供可靠数据 4 7 34 7 3 测点布设测点布设 全桥风速风向仪测点布置如图 4 20 所示 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 26 图图 4 204 20 李家沱长江大桥主索塔风速风向仪布置示意图李家沱长江大桥主索塔风速风向仪布置示意图 4 84 8 定期监测定期监测 4 8 14 8 1 桥墩变位桥墩变位 测量要求如下 测量精度 0 1 毫米 测量内容 桥墩顶竖向 横向 纵向位移值 测量点 每一桥墩不少于两点 并且每次测量时均应在同一固定点处进行 测量周期 每年内施测二次 选择夏季 冬季各测一次 提供成果 测点布值 测量方法 测量值 并判断桥墩是否出现倾斜 滑 动 沉降现象发生 其变形是否超过规范值 给出评估结论 4 8 24 8 2 混凝土强度混凝土强度 测量要求如下 测量规范 混凝土结构过程施工质量验收规范 GB50204 2002 及 混凝土强度检验评定标准 GBJ107 87 测量构件 箱梁腹板 桥墩 测量区域 腹板或桥墩的测区不少于10 个 测量方法 回弹法 测量周期 与荷载试验周期相同 提供数据资料 构件混凝土强度 检测评估结论 4 8 34 8 3 混凝土碳化深度混凝土碳化深度 测量要求如下 测量规范 混凝土结构过程施工质量验收规范 GB50204 2002 及 风速风向测点 重庆李家沱长江大桥长期健康监测方案 27 混凝土强度检验评定