武汉天兴洲长江大桥伸缩缝位移监测技术研究

第２７卷第３期　２０１５年７月　黄河水利职业技术学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙｅｌｌｏｗ　Ｒｉｖｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔ

ｕｔｅ

Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．３　Ｊｕ１．２０１５　

武汉天兴洲长江大桥伸缩缝位移监测技术研究　唐华瑞　，宁　强　（１．河南理工大学万方科技学院，河南郑州４５１４００；２．江苏法尔胜光电科技有限公司，江苏无锡　２１４４００）　

摘　要：桥梁的结构位移是衡量结构安全性的一个重要因素。过大的结构位移不仅引起应变超限，　还会影响桥梁的正常使用。结构的位移变化还能反映结构内部的病害。以武汉天兴洲公铁两用长江　大桥公路桥为研究对象，用光栅位移传感器进行伸缩缝位移监测，并通过梁端位移测试数据，评判　结构的安全性。　关键词：武汉天兴洲大桥；伸缩缝；位移监测；技术分析　中图分类号：Ｕ４４２．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—４８６Ｘ（２０１５）０３—００３５—０３　

０　引言　桥梁的结构位移是衡量其安全性的一个重要因　素。过大的结构位移不仅会引起应变的超限，还会影　响结构的正常使用。结构内部的病害也可能通过位　移的变化反映出来。在桥梁结构健康监测中，伸缩缝　位移是一个必须测量的参数［１］。　武汉天兴洲长江大桥位于武汉长江二桥下游　１０　ｋｍ处，北起汉口平安铺，南止武昌武青主干道，　总长度为９．３　ｋｍ，其中主桥长４　６５７　ｍ，主跨５０４　ｍ，　是世界上最大跨度的公路铁路两用斜拉桥Ｉ２］。该桥　上层为６车道公路。设计时速为８０　ｋｍ；下层为可并　列行使４列火车的铁道，设计时速为２００　ｋｍ。天兴　洲长江大桥公路桥主要采用的是大跨径的预应力混　凝土连续箱梁和预应力混凝土简支箱梁。考虑桥梁　结构的受力特点．按照实施细则及专家意见，该桥选　择连续梁６６＂墩梁端进行伸缩缝的位移监测。笔者　对天兴洲长江大桥公路桥伸缩缝位移监测技术进行　了探讨。　１　位移监测方法及其原理　１．１　监测方法　拉绳式位移传感器和磁滞伸缩式位移传感器是　桥梁工程领域常用的监测传感器。拉绳式位移传感　器借助高韧性钢丝来测量直线位移，钢丝通过合金　钢弹簧绕于铝合金滚筒之上．由此将直线位移转变　成旋转运动。磁滞伸缩式位移传感器利用磁环替代　了拉伸的钢丝，将测试转变为一种非接触式的测量　方式。两类测量方式的共同点是，测试的位移均反映　为电信号。对于进行长期远程实时监测的桥梁来说，　由于监测现场距离控制室较远，电类信号在传输过　程中易被电磁干扰。若在现场设置采集站作为中继，　不仅降低了测试结果的可靠性，还增加了监测系统　的复杂性和监测成本。　本监测系统结合项目内结构伸缩缝距离的监测　要求，基于光纤传感技术的支持，用光栅位移传感器　进行位移监测。该光纤光栅位移传感器实物照片如　图１所示。　１．２测试原理　光纤光栅位移传感器的基本结构如图２所示。　在外力作用下，位移传递杆产生位移，致使传递钢绳　产生拉伸。传递钢绳产生的拉力以集中力的方式作　用在悬臂梁的自由端。悬臂梁另一端固定在与钢绳　

图１　光纤光栅位移传感器　Ｆｉｇ．１　Ｆｉｂｅｒ　ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　

收稿日期：２０１５—０４—０８　作者简介：唐华瑞（１９８４一），女，河南荥阳人，讲师／工程师，硕士，主要从事桥梁工程专业的教学与研究工作。　

３５　黄河水利职业技术学院学报　２０１５年第３期　保护筒连成一体的圆柱形刚性壳体内侧壁上．其上　下表面分别贴着互补的光栅对。当位移传递杆产生　位移时，悬臂梁下表面受压缩而产生负应变。上表面　受拉伸而产生正应变，贴在其上、下表面的光纤光栅　也产生同样的正应变和负应变，使上、下两个光纤光　栅的中心波长向相反方向移动。两个波长差值可表　征位移传递杆移动的位移ｌ３］。　输　图２光纤光栅位移传感器结构图　Ｆｉｇ．２　Ｆｉｂｅｒ　ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　用两光栅中心波长的差值求解位移传递杆产生　的位移时．温度引起光纤光栅中心波长的变化将作　为共模信号剔除掉。该项测试技术既利用了光信号　远程不受电磁干扰的特性，又弥补了光纤光栅受温　度影响的测试缺陷［４２。　２位移监测分析　２．１　测点布置　按照细则要求，位移传感器安装在连续梁６６　墩梁端，上、下游箱梁共两个监测断面，每个断面布　置２个测点。在实施过程中，将位移传感器支座一端　３６　安装于６６　墩内，支座另一端连接钢丝拉绳安装于　６６　墩所对立的简支梁上。上、下游４个位移传感器　分别组成两串信号后。汇入主光缆。　２．２测试结果及分析　图３为连续１０天监测的梁端纵向位移时程曲　线，图４为其对应的上、下游位移差值时程曲线。由　图３和图４可以看出，上、下游监测曲线变化差异幅　度较小，发展趋势一致；在监测时间段内，上、下游间　位移差值很小，约为一１～１　ｍｍ。　

目１．５　ｌ　龄０．５　ｏ　＿＿＿ｏ．５　１　

鲁　｛　

。。　

姥　ｋ　

吕　砉　

熄　

：　：　：　：　！　●　●　●　ｔ　●　●　…　：　４　－－

．－

～

；－－　－＇－

～－－　ｉ　ｅ∞ｒ工：。　。：　丘　；　…　

．　ｉ　．　－＇ｒ　１－　”一　ｒ　：　１ｒ叮　■ｌ　■　Ｅ　■　．　…　…０　－－－　

！　

Ｏ　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１Ｏ　时间ｔ／ｄ　

Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｊ　…　…；…　一　…　：　ｊ：：　ｊ－‘　．　Ｉ…　，－　●　＿　

：．　▲＿■　“。Ｌ　ｌ　Ｉ　一，＿　’　ｒ　ｉ一¨～　…　■■　

！ｌｌ　’啊ｌ　－ｒ：　一　

Ｏ　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　时间ｔ／ｄ　

图３梁端位移监测时程曲线　Ｆｉｇ．３　Ｂｅａｍ－ｅｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ　ｃｕｒｖｅ　

ｌ　｝’１…Ｉ　ｌ　ｒ　ｉ　ｌ　Ｉ　ｔ　ｌ　Ｉ　Ｊ　Ｉ　Ｊ．　Ｊ。　ｊ．．．１　－．　Ｉ　●　●　Ｉ　●　Ｉ　●　●　

●　●　Ｊ　●　‘　…　…　…　…　

…一．ｊ‘　Ｉ　Ｉ　

Ｉ　｝　Ｉ　一’…　●　｝　Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　…‘ｒ。‘’…１…ｔ…　

Ｉ　Ｉ　－　●　Ｉ　ｔ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ　ｌ　

图４上下游梁端位移差值时程曲线　Ｆｉｇ．４　Ｕｐｓｔｒｅａｍ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｂｅａｍ－ｅｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｔｉｍｅ—－ｈｉｓｔｏｒｙ　ｃｕｒｖｅ　

图５为梁端上、下游平均位移与梁内温度的监　测曲线。由图５可以看出，梁端位移与温度呈负相关　趋势．随着温度的降低，梁端位移增大。这与结构热　胀冷缩的特性相吻合。即，温度下降，导致连续梁段　整体收缩。从而引起端部的位移变大。温度升高，导　致相反的结果。　３结语　作为结构的响应量，位移容易直观反映出结构　的受力状况。研究表明，桥梁的梁端伸缩缝位移与温　度具有明显的相关性［　。在此基础上，通过监测梁端　位移与温度的相关性特征，能够掌握梁端位移随温　唐华瑞，等：武汉天兴洲长江大桥伸缩缝位移监测技术研究　星１０　赔５　联　０　

ｌ　２　３　４　５　６　７　８　９　１Ｏ　时间ｔ／ｄ　

一＿　√’　Ｊ　＼　’　√　ｈ－＾　■■．　一　，　

伸缩缝结构设计量程间的比较结果。可以作为评判　结构是否处于安全工作状态下的指标之一。　

参考文献：　［１］丁幼亮，周凯，王高新，等．苏通大桥斜拉桥伸缩缝位移　的长期监测与分析［Ｊ］．公路交通科技，２０１４（７）：６０－６４．　［２］秦顺全，武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究［Ｊ］．　工程力学，２００８，２５（增刊ＩＩ）：９９－１０５．　［３］陈飚．面向物联网和光纤传感技术的桥梁安全监测技术　研究与应［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２０１１．　［４］邓扬，李爱群，丁幼亮．大跨悬索桥梁端位移与温度的相　关性研究及其应用［Ｊ］．公路交通科技，２００９，２６（５）：５４—　５８．　［５］邓扬，李爱群，丁幼亮，等．基于长期监测数据的大跨桥　梁结构伸缩缝损伤识别［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版。　２０１１，４１（２）：３３６—３４１．　【责任编辑　杨明庆】　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　Ｊｏｉｎｔ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｔｉａｎｘｉｎｇｚｈｏｕ　Ｙａｎｇｔｓｅ　Ｂｒｉｄｇｅ　

ＴＡＮＧ　Ｈｕａ－ｒｕｉ　，ＮＩＮＧ　Ｑｉａｎｇ２　（１．Ｗａｎｆａｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＨＰＵ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５　１４００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｆａｓｔｅｎ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ　２１４４００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉＳ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅ　ｅｘｅｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｒｕｎ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ，ａｌｓｏ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｕｓｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃ．　ｔｕｒｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｃａｎ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅ　Ｗｕｈａｎ　Ｔｉａｎｘｉｎｇｚｈｏｕ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｈｉｇｈｗａｙ－Ｒａｉｌｗａｙ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　ｄｕａｌ－ｕｓｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ａｓ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｉｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ．ｊｏｉｎｔ　

ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄ　ｊｕｄｇｅｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｂｅａｍ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｗｕｈａｎ　Ｔｉａｎｘｉｎｇｚｈｏｕ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｂｆｉｄｇ￣ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎ￣ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

３７　

广●　Ｌｒ●　Ｌ　■■■　●Ｌ　Ｏ　＝２　。　ｏ　删／９　糖　，ｑ