三汊矶大桥运营期监测方案.doc

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三汊矶大桥运营期健康监测实施方案

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

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三汊矶大桥健康监测

初步方案

1工程概况

1.1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φ5.1mm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Φ5.1×85。

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）。

图1.1三汊矶大桥主桥桥型布置图

图1.2三汊矶大桥主桥钢加劲梁截面示意图

主桥线路设计为城市Ι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1-1湘江三汊矶自锚式悬索桥雄姿

1.2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

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。

2三汊矶大桥健康监测系统初步方案

2.1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）报告大桥工作环境变化；

（2）报告大桥主要构件的应力、变形等响应情况状况；

（3）报告大桥主缆缆索受力状况；

（4）报告大桥主要构件是否有较大损伤或累积破坏；

（5）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

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、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、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、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、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、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，或不具备测试条件，则此项略去）

2.3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。

²传感器子系统（SS）

²数据采集与传输子系统（DATS）

²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

2.3.1传感器子系统

2.3.1.1结构环境监测

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：

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，具有良好的测量精度和耐久性。

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：

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：

计划在主桥桥面中跨跨中位置布置1台。

2.3.1.2应力监测

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：

采用振弦式表贴应变传感器，分辨率达到1me，量程满足±1500me，。

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。

图3-2主桥钢加劲梁应变测试截面布置位置示意图

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3-4主塔应变监测截面布片图

2.3.1.3挠度监测

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：

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：

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；

2.3.1.4缆索索力监测

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：

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：

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，则此项略去）

2.3.1.5塔偏监测

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：

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：

计划在两主塔上缘及塔梁结合处各布置两个测点。

2.3.2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。

2.3.2.1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：

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；

2.3.2.2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,dataacquisitionunit）；

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。

2.3.3数据管理与控制子系统

2.3.3.1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，并对结构安全进行预警。

系统软件界面图

2.3.3.2预警指标体系的建立

预警模块的信息来源包括基于在线自动评估得到的初步评估结论（评估分级指标）和基于运营自动参数监测得到的控制性结构状态和环境状态信息。

预警体系从实现方法上可以划分为无模型预警体系和有模型预警体系。

（1）无模型预警体系的建立

a）这是以往监测系统主要进行监测数据分析的方法

b）建立在监测数据统计及简单数据分析的基础上

c）对桥梁在恒载＋其它荷载情况下的结构响应实时监测数据直接进行处理

d）通过规范、历史记录、交通流量、环境参数等建立预警界限

e）根据情况设定不同的预警标准，对不同的预警标准采取不同的处理

f）在综合评估时考虑预警的情况

（2）预警指标的建立

a）以规范规定限值确定红色预警界限

b）以前一年的监测数据建立预警基础数据库，预警基础数据库包括365×n组样本，每组样本主要包括风况、温度场、结构响应数据等。

c）结构响应数据样本包括趋势值和带宽（主要由活载及风荷载引起）

d）根据交通流量情况建立活载系数，活载系数考虑目前交通流量与设计流量的对比，考虑日不均匀系数等

e）根据实时风况、温度的情况在样本数据库中搜索最接近的样本趋势值及带宽

f）橙色预警界限＝样本趋势值＋带宽×活载系数

g）对红色预警界限及橙色预警界限采用不同的处理