健康监测系统设计方案

天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案

天津市市政工程研究院

2009年3月

天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案

1桥梁健康监测的必要性

由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991mM 的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。

导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。

现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟实验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难

的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。

桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。

特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。

2海河大桥工程简况

集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大桥南侧收费站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分别跨越进港铁路一线，新港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大街，会展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立交相接。该段桩号范围K9+342.802~K20+419.245，路线全长11.076公里，除起点引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近9.8公里均为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座，临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路交叉位置为直线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V＝80km/h，双向八车道。

本桥位于海河入海口处，新港船闸和防潮闸内侧，现状建有双向四车道特大桥一座，桥宽23M ，桥梁起点位于海河南岸现状海河大桥收费站处，终点止于新港二号路，与城区段高架桥相接，桥梁全长2030M ，其中跨越海河主桥采用独塔斜拉桥，利用河中岛屿布置主塔，主跨为310M ，具体跨径布置为46+3×48+310M ，主桥全长500M 。两侧引桥为预应力T 梁。

新建斜拉桥结构采用与原桥基本相同、主塔与原桥塔对称布置的单塔斜拉桥，具体跨径布置为310+2×50+2×40M 。该方案在结构上与现状斜拉桥基本统一，主桥立面图如图1所示。

图1 海河大桥立面图

本桥主梁采用混合梁结构，即主跨310M 大部分采用钢梁，全部边跨以及主跨靠近主塔20.8M 长度范围内梁段采用预应力混凝土梁结构，梁高均为3M ，如图2、图3所示。钢箱梁采用单箱闭口断面形式，梁高3.0M ，高跨比为1/103，高宽比为1/7.3。主梁每16M 为一段，在索锚点处设置主横梁，其他位置每隔3.2M 设置普通横梁。预应力混凝土箱梁，普通段采用与钢梁外形一致的单箱闭口断面形式。梁高3.0M ，横梁间距为4.0M 。钢梁与预应力混凝土梁连接形式，根据混合梁斜拉桥的受力特点，结合部位置选择310M 主跨内距塔中心15m 处，结合部的作用是平顺地将工作应力从钢主梁传递到PC 梁，本桥利用充填混凝土局部连接方案，即将钢箱梁的端部改为多室结构填入无收缩的混凝土。为使应力有效均匀扩散，在钢室内设置剪力销，对接合部内填充混凝土并施加预应力，以确保钢箱梁与预应力混凝土梁连成整体。

主塔造型与原桥一致，为“钻石”型。直接坐落在承台顶面上，塔座以上全高为163.3M ，桥面以上为126.9M ，见图4所示。

塔身采用矩形空心截面，RC 结构，有上下两道预应力混凝土横梁，上横梁位于拉索锚固区之下，梁高5M ；下横梁位于主梁之下，高度6M 。桥塔主要构造与尺寸如下:塔柱顺桥向宽6～8M ；横桥向宽:下塔柱为 4.5～7.0M ，上塔柱为 3.0～4.5M 。横断面为箱型断面，壁厚60～150cm 不

等，箱壁配置横向预应力钢束。桥塔采用爬模施工，塔柱内配置型钢焊接而成的劲性骨架。

本桥总体上采用塔墩固结、塔梁分离，主梁在桥塔处设置0号索的全漂浮体系。在桥塔横梁和主梁之间设置纵向阻尼装置和抗震拉索，限制主梁纵向位移，在塔柱和主梁之间设置限位支座来限制主梁在主塔处的横向位移。主梁分别在两端边墩和辅助墩设置支座，形成多跨连续梁体系。

斜拉索采用空间扇形布置,索面在主塔上索距为1.5~2.5M ，在主梁上主跨范围内的索距为16m,边跨范围内设8m~10m 的索距。全桥共有37对、合计74根斜拉索。斜拉索采用直径7mm 的低松弛高强平行镀锌钢丝成品束,标准强度为1670PMa 。外层防护采用热挤双层高密度PE 防护套,斜拉索两端采用冷铸镦头锚具,斜拉索采用上端张拉、下端固定方式。

图2 混凝土主梁横截面图

图3 钢主梁横截面图