招宝山大桥主桥运营期健康监测方案
- 格式：pdf
- 大小：97.07 KB
- 文档页数：4
文章编号:1003-4722(2002)05-0075-04招宝山大桥主桥运营期健康监测方案徐爱敏1,张立超3,叶昌勇2,应凌云3(1.宁波兴业大桥有限公司,浙江宁波315200;2.中铁大桥局集团公司,湖北武汉430050;3.杭州湾大桥工程指挥部,浙江宁波315010)摘 要:招宝山大桥为主跨258m 的PC 斜拉桥,2001年建成通车。
介绍了大桥在运营期间的健康监测系统,即自动极坐标实时差分测量法(A TR 自动监测系统)。
关键词:斜拉桥;桥梁观测;A TR 自动监测系统中图分类号:U446.2文献标识码:AThe H ealth Monitoring Plan of ZhaobaoshanB ridge during the OperationsXU Ai 2min 1,ZHAN G L i 2chao 3,YE Chang 2yong 2,YIN G L ing 2yun 3(1.Ningbo Xingye Major Bridge Co.,Ltd.,Ningbo 315200,China ;2.China Zhongtie Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan 430050,China ;3.The Construction Headquarters of Hangzhou Bay Bridge ,Ningbo 315010,China )Abstract :Zhaobaoshan Bridge is a cable 2stayed bridge with a 258m main span ,it is accomplished and run in 2001.The health monitoring system during the operations is introduced ,which is also called as automatic radial coordinate real 2time difference measurement.K ey w ords :cable 2stayed bridge ;bridge observation ;A TR automatic monitoring system收稿日期:2002-04-24作者简介:徐爱敏(1968-),男,工程师,1992年毕业于北方交通大学工民建专业,获学士学位,1995年毕业于铁道科学研究院桥梁与隧道专业,获硕士学位。
1 工程概况招宝山大桥位于宁波市甬江入海口,横跨镇海区的招宝山和北仑区的金鸡山。
其主桥为带协作体系的独塔双索面不对称预应力混凝土斜拉桥,主跨258m ,跨径布置自招宝山到金鸡山为(74.5+258+102+83+49.5)m 。
主塔高148.4m ,上下游侧各设斜拉索25对,主塔中心处设置垂直索1对,桥面宽29.5m ,主梁高2.5m ,其箱梁标准截面为双箱单室开口箱形截面。
该桥在施工过程中曾发生主梁压溃破坏的严重质量事故,事故后对破坏主梁进行了局部拆除重建,并对保留主梁进行了全面加固处理。
大桥于2001年6月8日正式投入使用。
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遭受损坏,其强度和刚度会随着时间的增加而降低,这不仅会影响安全行车,更会使桥梁的使用寿命缩短。
因此有必要针对本桥特点,建立和发展一个健康监测系统,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其结构的承载能力、运营状态和耐久能力。
2 监测范围考虑到本桥建设过程中的特殊背景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主要包括两部分。
(1)桥梁工作环境的监测:主要包括桥址处风速和风向,环境温度和桥梁结构温度分布状况,交通流量等。
(2)桥梁整体性能的监测:主要包括主梁的各控制部位位移变形状态监测和主梁的各控制部位应力、大桥结构的动力特性及斜拉索索力监测。
3 监测方案3.1 桥梁工作环境监测3.1.1 桥址处风速和风向监测主要由安装在桥身和桥塔顶上的风速仪完成,测量平均风速和风向,编绘桥址的风玫瑰图,确定平均风速、风向和重现频率,以作为大桥的结构抗风验算复核和在大风期间大桥交通管制措施的参考;测量风的结构;测量特定风速的持续周期,检测桥梁或拉索的涡激共振的平均持续周期。
3.1.2 桥址处环境温度和桥梁结构温度分布状况监测由安装在梁、塔及特制测温索内的温度仪完成。
主要测量以下内容:桥址环境温度;混凝土箱梁内外表面和塔身内外截面温度分布状况;斜拉索截面内温度分布状况。
3.1.3 交通流量统计日交通流量的统计由设在收费车道的传感器、摄像机及其电脑系统自动进行。
内容包括:测量各类型车辆的流量及通过时间,记录和观察大桥上交通挤塞情况,车辆分布模式,以推算适时的大桥交通荷载。
3.2 桥梁整体性能的监测3.2.1 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。
常用的位移变形监测方法有导线测量(观测水平位移)加几何水准法(观测竖向位移)、GPS测定三维位移量法和自动极坐标实时差分测量法(A TR自动监测系统)。
导线测量加几何水准法:观测精度较低,观测方法与计算比较复杂,作业时间长,受气候条件影响大,而且由于受垂直折光的影响,在观测时间的选择上有一定的局限性。
GPS测定三维位移量法:该法可以全天候观测,能够实现自动观测。
但每个观测点上必须安置1台GPS接收机,成本高且GPS观测精度与观测时间成正比,如观测1～2h,其水平精度优于1mm,垂直精度优于1.5mm,观测6h,其水平精度优于0.5mm,垂直精度优于1mm。
因此,为取得较高的观测精度,需延长观测时间。
自动极坐标实时差分测量法:该法采用A TR 自动化监测仪器与Windows界面下的自动极坐标系统软件,应用差分式测量的原理,依靠软件的定时功能,设定观测时间间隔,通过自动化的高精度互转信息,实现A TR自动目标识别模式进行的自动测量数据与笔记本电脑之间的信息互通。
该系统能够同时全方位地观测主梁的挠度变化、横向扭转、纵向伸缩及主塔的沉降、位移、倾斜量等,克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷。
该法可以全天候进行,自动化程度高,可以做到无人值守完成24h实时监测;观测时间短,完成1个周期多个方向的测量仅需15min;同时折光、气候、环境对其的影响可以通过实时差分测量予以基本消除,测量精度较高。
通过对上述3种测量方案的比选,在确保观测精度的基础上,同时为尽量缩短封桥时间,本桥桥梁变形监测方案采用了自动极坐标实时差分测量法。
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:测试断面为主桥20～25号墩顶、各跨跨中及主跨其它关键部位,共15个测试断面,计30个测点。
(2)主梁横向水平位移观测(桥轴线偏位观测):测定主梁轴线横向偏位值。
测试断面及测点布置同主梁竖向挠度变形监测(仅布置一侧)。
(3)主梁纵向位移观测: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,梁端上下游侧各设1个测点,共计4个测点。
主梁测点布置见图1。
主塔沉降及变位观测主要包括两部分。
(1)主桥(塔)墩沉降观测:测定主桥22号主塔及20、21、24、25号墩每墩柱的沉降值。
其中,主塔设4个观测点,其余墩每墩柱各设1个测点,共计12个沉降观测点。
(2)主塔塔顶变位观测:主塔塔顶变位观测包括顺桥向和横桥向2个方向变位值的测量,测定塔柱的变位幅度大小和变位规律。
各塔顶各设1个测点,共计2个测点。
主塔测点布置见图2。
3.2.2 主梁应力测量运营状态中的预应力混凝土箱梁的应力、应变的变化是由于箱梁结构的外部条件和内部状态变化图1 主梁变形及应力测点布置图2 主塔变位及沉降测点引起的,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。
通过应力监测可以反映箱梁的受力条件变化和结构内部预应力混凝土的性能。
由于整个监测过程较长,受测试元件性能的限制,为了确保能得到真实的应力变化,在每个应力测点都安装了2套应变传感器。
第1套是振弦式混凝土表面应变计,其工作原理与埋入式振弦应变计相同;第2套是浙江大学开发研制的千分表应变计,该应变计的加长杆由常用的金属材料替换为极低温度系数的陶瓷材料,基本上避免了温度变化对测量带来的影响。
由于采用2套传感器同时进行测量,可进行相互校核,确保了测量结果的可靠性。
应力分析采用浙江大学开发的USAP 软件,该软件能对大跨度桥梁进行仿真三维分析,其中徐变模型采用虚拟层板壳单元和广义三维实体等参元的粘弹性模型,使得用离散的有限元描述复杂结构更为简洁,已成功应用于多座大跨度桥梁的结构分析。
本桥共布置了A 、B 、C 、D 、E 、F 6个测试截面86个测点,其典型截面测点布置见图3。
图3 主梁典型截面应力测点布置3.2.3 大桥结构动力特性监测大桥结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关,对大桥结构的动力特性监测主要在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下,测定桥跨结构由于桥址处风荷载、水流等随机荷载激振而引起的结构微小振动响应。
主要来测定主梁的固有振动频率、振型和阻尼比等。
主梁的测量断面选择在各跨的跨中和四等分点上。
3.2.4 斜拉索索力的监测索力状态是衡量大桥是否处于正常运营状态的一个重要标志。
索力的监测主要是用环境随机振动方法测量索的自振频率和振型,并由此推算出索的拉力。
为了精确测试索力,需在拉索减振器安装前后各测一遍拉索的频率,根据2个频率值得到减振器安装前后的拉索换算索长。
3.3 观测周期及频率为了真实反映大桥在不同时期受车流量、温度及其他环境因素作用的变化情况,位移变形监测共分4个周期。
(1)第1周期:全天24h观测,每6h观测1次,连续观测30h。
获取变形观测的起始数据及其受日照、气温影响的变形规律;(2)第2周期:每月观测1次,连续观测1年;(3)第3周期:每2个月观测1次,连续观测1年;(4)第4周期:每季度观测1次,连续观测1年。
而应力、索力及大桥动力特性的监测则每半年进行1次,同时为便于测试数据的分析,要求测试时间与相应的变形监测同时进行。
4 大桥结构评估工作由于本桥测试项目较多,每阶段测试都形成大量的数据,如何有效利用这些数据,及时评估大桥的承载能力、营运状态和耐久能力将成为关键。
