三汊矶大桥运营期监测方案

三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 i 目 录 1 工程概况 2 1 1 桥梁概况 2 1 2 目前存在问题 3 1 3 系统定位 4 2 三汊矶大桥健康监测系统初步方案 5 2 1 系统功能 5 2 2 系统监测项目 5 2 3 系统技术方案 6 2 3 3 2 预警指标体系的建立 13 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 2 三汊矶大桥健康监测 初步方案 1 工程概况工程概况 1 1 桥梁概况桥梁概况 长沙市三汊矶湘江大桥主桥设计为自锚式悬索桥 全长 732 米 分跨为 70 132 328 132 70 米 主塔为钢筋混凝土箱形结构 由塔柱和上下两道横梁 组成 塔柱采用 C50 变截面钢筋混凝土结构 横梁为预应力钢筋混凝土结构 全桥共设 2 根主缆 主缆由 37 束预制索股构成单缆 预制索股由 127 丝 5 1mm 镀锌高强钢丝组成 主缆中心距 25m 矢跨比中跨 1 5 边跨 1 10 6 主缆两端采用冷铸墩头锚锚固于钢箱梁 主缆与钢箱梁连接采用焊接钢板锚箱 本桥采用双吊索 普通吊索 236 根 采用 PWS 平行钢丝索股 普通吊索规 格为 5 1 85 靠近主缆锚固区短吊杆采用刚性吊杆 共 8 根 吊索与主缆连 接方式为上下销接式 吊索采用 PWS 平行钢丝索股 外套 PE 防护层 对长度 超过 20m 的吊索设置减振架 以减少吊索的风致振动 自锚式悬索桥加劲梁采用钢箱梁 箱梁全宽 35 米 桥梁中心线处梁高 3 6 米 桥面设有双向 2 0 的横坡 1 5 的纵坡 桥面全宽 35m 1m 风嘴 3 0m 人行道含栏杆宽 2 0m 吊杆锚固区 23m 双向 6 车道 2 0m 吊杆锚固区 3 0m 人行道含栏杆宽 1m 风嘴 龙洲 55 770 9 56 720 10 129 655 23 496 11 58 515 129 655 57 964 25 202 12 56 720 13 55 770 14 图 1 1 三汊矶大桥主桥桥型布置图 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 3 主桥线路设计为城市 级主干道 设计行车速度为 60km h 行车道上铺 7 5cm 厚的环氧沥青路面层 人行道上铺设 3 5cm 厚的沥青混凝土 设计荷载 汽车 超 20 级 挂车 120 人群荷载 4KN 按规范进行 折减 温度荷载 设计基准温度 20 体系升温 20 降温 20 基本风速 一百年重现期 10 米高度处 10min 年平均最大风速 25 9m s 抗震设计 按地震 基本烈度 7 度设防 三汊矶大桥主桥于 2006 年 9 月 1 号正式通车 图图 1 1 湘江三汊矶自锚式悬索桥雄姿湘江三汊矶自锚式悬索桥雄姿 1 2 目前存在问题目前存在问题 在桥梁通车至今 养护检查中对对三汊矶大桥桥下 桥上 主塔根部 悬 索系统 支座 减振器及桥面系等进行实地检查 该桥存在如下病害和缺陷 悬索系统中吊杆下锚头有锈水渗出 东西两主塔根部砼局部开裂 东西两 主塔支座处 大桥纵向减振设施锚固板螺栓锈蚀 其中东塔下游侧减振设施锚 图 1 2 三汊矶大桥主桥钢加劲梁截面示意图 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 4 固板螺栓损坏 3 个 西塔下主梁横向限位块脱落 东岸顶推梁 27 墩 顶推梁 最东的桥墩 盖梁开裂明显 主梁下检修滑车锈蚀 主塔检修通道支架铁件锈 蚀 东引桥盖梁上泥沙堆积 共有 5 处 东引桥落水管破损 初步统计有 10 套 东桥台处梁体顶挤桥台背墙 致桥台局部顶坏 伸缩缝胶带破损严重 主车道 共 12 条伸缩缝 有 8 条胶带破损 有 3 条缝内泥砂淤积需冲洗 钢箱梁 4 台除 湿机有两台故障停止运转 另两台可运转但抽风机皮带断裂无法除湿 1 3 系统定位系统定位 本次拟建立的三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统核心思路为 紧密 结合养护 以安全评价为核心 初步实现 数据对桥梁安全状态实时监测 实 现结构状态分级和红线预警 根据人工监测数据的桥梁健康状况分级 根据监 测系统实时数据的红线预警分析 通过在线监测系统预警与人工检查相结合对 桥梁结构的安全运营提供技术支撑和保障 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 5 2 三汊矶大桥健康监测系统初步方案三汊矶大桥健康监测系统初步方案 2 1 系统功能系统功能 建立 三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统 其核心思路为 紧密 结合养护 以安全评价为核心 实现 数据对桥梁安全状态进行评估 实现结 构状态分级和红线预警 根据人工监测数据的桥梁健康状况分级 根据监测系 统实时数据的红线预警分析 三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统预期功 能包括 1 1 报告大桥工作环境变化 报告大桥工作环境变化 2 2 报告大桥主要构件的应力 变形等响应情况状况 报告大桥主要构件的应力 变形等响应情况状况 3 3 报告大桥主缆缆索受力状况 报告大桥主缆缆索受力状况 4 4 报告大桥主要构件是否有较大损伤或累积破坏 报告大桥主要构件是否有较大损伤或累积破坏 5 5 实现异常状态下 包括荷载 工作环境和结构响应 的预警 实现异常状态下 包括荷载 工作环境和结构响应 的预警 2 2 系统监测项目系统监测项目 三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统主要监测项目包括 1 1 环境监测 环境监测 结构温度荷载是结构的荷载源之一 也是三汊矶大桥桥梁 运营中维护管理的一个重要依据 此外风速等环境参数也是对大跨径桥梁产生 影响的因素之一 环境检测主要对温度 钢箱梁内外及大气温度 风速进行监 测 2 2 应力监测 应力监测 应力是构件安全性评价的基础 对于自锚式悬索桥 钢箱 梁压应力最最重要的监测内容 本次应力 应变 监测主要对钢箱梁以及主塔 关键截面应变进行监测 3 3 挠度监测 挠度监测 对三汊矶大桥的几何线形及其变化进行监测 研究桥梁线 形变化与环境变化 如温度 车辆 的关系 为大桥工作状态动态显示及分析提 供数据 本工程中安排了该监测项目 4 4 塔偏监测 塔偏监测 大桥索塔的倾角及位移对主塔结果安全有重要影响 本系 统拟对主塔塔偏进行监测 5 5 缆索索力监测 缆索索力监测 本系统拟采用预设压力传感器法 据悉监控单位在锚固 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 6 段预设了锚索计 对缆索索力进行监控 备注 若施工监控预设元件已损坏 备注 若施工监控预设元件已损坏 或不具备测试条件 则此项略去 或不具备测试条件 则此项略去 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 7 2 3 系统技术方案系统技术方案 三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统主要将包括下列三个子系统 运 作流程如下图所示 传感器子系统 SS 数据采集与传输子系统 DATS 数据管理与控制子系统 DPCS 这三个子系统将运行于三个层次 第一层次是数据采集单元采集传感器子 系统拾取的信号 第二层次是将采集到的信号转换成数字信号并通过 INTERNET 输送到数据处理与控制子系统 第三层次是由计算机系统完成数据的后处理 归档 显示及存储 并根据系统的指令为其提供特定格式和内容的数据以及处 理结果 图 3 1 三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统结构示意图 2 3 12 3 1 传感器子系统传感器子系统 2 3 1 12 3 1 1 结构环境监测结构环境监测 温湿度监测目的温湿度监测目的 大桥结构温度变化是大跨度桥梁的重要荷载源之一 常引起 大桥的变形和桥梁线形的改变 是监测重要内容 结构温度监测能 了解桥址处环境温度场的实时变化 以及大桥主要构件的温度及温 度梯度情况 为分析结构的受力和变形提供依据 并用于结构状态 参数的相关分析 技术要求 技术要求 连续监测温湿度 每 10 分钟采样一次 即采样频率 0 00167Hz 温 度 空气温度湿度监测应能满足各类温度测量的要求 具有良好的 大桥桥址 监控中心 固固定定式式传传感感器器系系统统 便便携携式式传传感感器器系系统统 数数据据采采集集与与传传输输系系统统 便便携携式式数数据据采采集集系系统统 数数据据管管理理与与控控制制系系统统 结结构构健健康康评评价价系系统统 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 8 测量精度和耐久性 测点布置 测点布置 计划在钢箱梁内外侧共布置 2 个测点 风荷载监测目的风荷载监测目的 风荷载是大跨度桥梁的荷载源之一 采用风速风向仪实时监 测 及时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 以及研究极限风环 境下的大桥工作状况提供了依据 技术要求 技术要求 满足桥址处极限风速测量 采用风速风向仪连续监测 对风速风向 信号的直接采样频率 1Hz 测点布置 测点布置 计划在主桥桥面中跨跨中位置布置 1 台 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 9 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 10 2 3 1 22 3 1 2 应力监测应力监测 应力监测目的 应力监测目的 了解在交通荷载 风荷载 温度荷载及地震荷载作用下大桥各 重要构件的应力 应变情况 为评价结构工作状态及疲劳寿命提供 依据 技术要求 技术要求 采用振弦式表贴应变传感器 分辨率达到 1 量程满足 1500 测点布置 测点布置 根据三汊矶大桥的结构特点 在三汊矶大桥的主梁跨中截面以及边 支座锚固区域设置温度和应力布置截面 主梁 11 个截面 索塔 4 个 截面 AB 1 7 B 2 8 B 3 B 6B 5 10 B 4 9 图 3 3 主桥钢加劲梁应变测试截面布片图 以 B 截面为例 图 3 2 主桥钢加劲梁应变测试截面布置位置示意图 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 11 承台 承台 下横梁 西岸 东岸 上游 下游 1 2 3 4 图 3 4 主塔应变监测截面布片图 2 3 1 32 3 1 3 挠度监测挠度监测 监测目的监测目的 定期监测大桥的几何线形及其变化 记录各测点的绝对位移量 对 每年大桥横向 纵向及竖向挠度变化值进行统计 绘出趋势变化曲 线 为大桥工作状态动态显示及养护工作与结构健康评估提供资料 同时对主梁挠度设定较明确的分级警戒线 以便在出现异常情况时 及时给出判定和处理 技术要求 技术要求 满足实时动态测量要求 具有良好的测量精度和较高的数据更新频 率 分辨率达到 0 1 量程达到 2000mm 测点布置 测点布置 对三汊矶大桥挠度监测使用连通管光电液位传感器进行人工定期监 测 拟在桥梁两边跨跨中 主跨 L 4 L 2 3L 4 部位上下游侧 各布置一个 2 3 1 42 3 1 4 缆索索力监测缆索索力监测 监测目的监测目的 缆索是悬索桥主要承重构件之一 缆索索力对悬索桥结构安全起到 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 12 重要作用 本桥主缆各索股计算成桥内力约为 900KN 考虑采用预 设压力传感器法进行监控测试 技术要求 技术要求 具有良好的测量精度和低频测量性能 满足各种环境和量程的要求 采样频率为 50Hz 精度达到 0 1 量程达到 2000KN 测点布置 测点布置 对上 下游主缆的 1 号基准索股在东岸锚跨设置 120 吨的锚索计测 量其索力 备注 若施工监控预设元件已损坏 或不具备测试条件 备注 若施工监控预设元件已损坏 或不具备测试条件 则此项略去 则此项略去 2 3 1 52 3 1 5 塔偏监测塔偏监测 监测目的监测目的 检测大桥索塔的倾角及位移尤为重要 系统采用倾角仪记录各测点 测值 对每年索塔变位值进行统计 绘出趋势变化曲线 技术要求 技术要求 采取倾角仪连续检测索塔变位状态 满足各测点的量程要求及环境 要求 具有良好的测量精度 量程达到 30o 灵敏度达到 0 005 精度达到 9 采样频率为 1Hz 测点布置 测点布置 计划在两主塔上缘及塔梁结合处各布置两个测点 2 3 22 3 2 数据采集与传输子系统数据采集与传输子系统 数据采集与传输系统负责传感器信号的采集 调理 预处理 显示 传输 和保存等 对三汊矶大桥桥梁运营期结构安全监测系统数据采集与传输系统的 选型原则是 1 数据采集单元采用国际上先进的成熟产品 确保系统良好的稳定性 耐久性 和高精度 2 选用市场上通用性好 易于采购的产品 确保系统的可维护性和可更换性 3 选用性能价格比高的产品 确保系统在最低成本下 实现最良好的运作 2 3 2 12 3 2 1 数据采集与传输系统的技术要求数据采集与传输系统的技术要求 为了保证数据采集与传输系统的稳定 可靠及耐久性 其技术要求 三汊矶大桥运营期健康监测实施方案 13 1 系统应该既能在无人职守条件下连续采样 2 系统中所有数据采集操作必须在同一时标下工作 时间基准差异小于 1 微秒 3 系统具有实时自诊断功能 系统应能自动将故障信息上传至数据管理与控制 服务器 并以足够醒目或引起操作人员注意的方式显示 报警 4 当系统的一个或多个部分暂时断电时 系统的各个部分应无需人为干涉即可 自动重新启动 同步校时和继续正确运行 并保留断点信息 局部停止工作 其他设备应保持其不受影响部分正常工作 2 3 2 22 3 2 2 数据采集与传输系统的组成数据采集与传输系统的组成 数据采集与传输子系统由数据采集单元 工作站 和 INTERNET 以及数据 采集与传输软件组成 1 数据采集单元 考虑到传感器信号的传输距离不能太远 本系统在大桥箱梁 梁内设立 1 个数据采集单元 DAU data acquisition unit 2 数据传输网络 将和中国电信或中国移动联系 建立 INTERNET 网络 2 3 32 3 3 数据管理与控制子系统数据管理与控制子系统 2 3 3 12 3 3 1 数据管理与控制子系统硬件数据管理与控制子系统硬件 数据管理与控制系统的数据存储 处理及显示硬件由 1 台计算机工作站负 责 位于监控中心内 通过 INTERNET 相连 计算机工作站主要用于健康监测系统实时显示 数据存储 统计分析 并 对结构