宁安铁路安庆长江大桥长期监测方案设计研究

宁安铁路安庆长江大桥长期监测方案设计研究

杨柏林1，林 超2

(1.宁安铁路有限责任公司，安徽芜湖 241000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

摘 要：宁安铁路安庆长江大桥主桥为双塔三索面钢桁梁斜拉桥，属于高次超静定结构，具有很强的非线性，受力情况复杂。为了及时反馈桥梁服役情况，确保线路安全运营，亟需建立一套长期监测系统。根据安庆长江大桥的主要技术特点，确定大桥的监测内容、监测方法、测点布置位置、数据采集与传输方法和预警与评估方法，形成一套针对安庆长江大桥的长期监测方案。研究成果可为我国类似大跨度桥梁长期监测方案的制定提供参考。

关键词：钢桁梁斜拉桥；监测方案；设计；铁路桥

1 工程概况(图1)

安庆长江大桥是南京至安庆城际铁路的重要组成部分，主桥采用双塔钢桁斜拉桥方案，全长1 363 m，主跨达580 m。主梁为3片主桁的钢桁架结构，主桁中心距2×14.0 m，桁高15.0 m。主塔采用钢筋混凝土结构，桥面以上为倒“Y”形，桥面以下塔柱内收为钻石形，塔高300 m，斜拉索为空间三索面，立面上每塔两侧共18对索，全桥共216根斜拉索。桥上采用有砟轨道，共铺设4种共8组钢轨伸缩调节器[1]。

图1 宁安铁路安庆长江大桥

2 安庆长江大桥长期监测的必要性

安庆长江大桥与其他同类型桥梁相比，主要技术特点如下。

(1)荷载大：由于铁路活载比公路大很多，与公路桥梁相比，用于铁路的斜拉桥需采用较大的边跨来解决边墩很大负反力的问题，导致结构刚度下降，影响行车的安全性和稳定性[2]。

(2)跨度大，受力情况复杂：安庆长江大桥主桥主跨达580 m，是目前同类铁路桥梁中跨度较大的，且斜拉桥为塔-索-梁空间结构组合体系，是高次超静定结构，具有很强的非线性，受力情况复杂。

(3)养护维修时间短：目前桥梁的养护维修主要以人工巡视为主[3]。而高速铁路的运营条件决定其维修时间短(仅晚上作业)，病害出现后难以及时发现，天窗时间的人工检查无法实时掌握桥梁服役状态，因此桥梁安全处于被动防控。

(4)二期恒载比设计初期大：桥梁在设计过程中考虑到列车荷载对桥梁的挠曲的影响，采用了预拱度。而在桥梁铺设道砟时，受线路平顺性要求和预拱度的影响导致跨中的道砟厚度偏薄，因此为了使跨中的道砟厚度满足设计要求，道砟会在桥面上形成一个纵向坡度，从而使二期恒载比设计初期大。

斜拉桥在长期使用过程中，受环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应和突变效应等因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而降低了抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力，极端情况下将引发灾难性的突发事故[4，5]。为了确保线路安全运营和养护，保证安庆长江大桥满足主体结构100年使用寿命的需要，在运营阶段对桥梁结构进行长期结构监测具有重要意义。

3 监测系统构成(图2)

图2 自动化数据采集监测子系统组成示意

安庆长江大桥健康监测系统将综合现代传感技术、网络通讯技术、计算机技术、数据管理方法、预测技术及结构分析理论等多个领域的知识，提高预测评估的可靠性[6]。当结构出现异常或损伤后，结构的某些局部和整体的参数将表现出与正常状态不同的特征，通过安装传感器系统便可拾取这些信息，而对信息的识别则可确定异常与否及相对程度。经过对损伤敏感特征量的长期观测及分析，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以采取相应的改善措施，延长桥梁使用寿命。

安庆长江大桥结构健康监测系统主要包括以下子系统。

(1)自动化数据采集监测子系统：通过传感器、数据采集、数据传输设备实时采集结构响应及环境特征数据，并通过数据处理和控制设备对采集到的数据做进一步处理。

(2)综合预警安全评估子系统：对传感器监测及人工巡检得到的各类数据，进行统一的数据处理、结构状态评估及预警。

(3)数据库管理子系统：该子系统主要管理整个大桥全寿命期桥梁的所有数据(包括设计资料、施工期资料、实时监测数据、人工巡检数据等)，并完成数据的归档、查询、存储等。

(4)用户界面子系统：用户界面子系统主要是向主管部门、养护单位等相关人员提供桥梁结构监测及巡检管理的人机界面，包括本地监测界面、远程监测界面、移动终端监测界面等。

4 监测方案设计

4.1 监测内容

根据安庆长江大桥的技术特点，借鉴高速铁路桥梁常用的监测项目，确定桥梁长期监测的内容如下[7]。

(1)桥址环境监测：环境监测应包括自然风荷载监测、空气温度与相对湿度监测等内容。风荷载是桥梁的重要荷载源，是了解桥梁结构动力响应和桥梁变形必须关注的监测内容。温湿度荷载是桥梁的主要荷载源，环境温度作用可使桥梁产生较大的变形，影响结构应力变化，甚至影响桥梁的结构频率，湿度是影响混凝土徐变和强度的重要因素，可改变构件的结构耐久性。

(2)结构温度监测：通过结构温度监测可以掌握结构温度对结构荷载、轨面平顺、主梁线形的作用影响。

(3)空间变位监测：桥梁运营阶段的跨中挠度和塔顶纵偏是反应桥梁结构的安全性、稳定性和适用性的重要指标之一。监测桥梁的空间位移变化以及由此引起轨道几何形态的变化，掌握桥梁的线形变化幅度和趋势，用于评估桥梁结构的安全性、稳定性。

(4)主梁挠度(线形)监测：主梁挠度(线形)是大跨度桥梁结构力学行为特征的最直观体现，是桥梁刚度的直观表现，同时也是影响桥梁正常使用的重要指标。尤其是通行高速列车的桥梁，结构体量大，静载变形大，直接影响轨道平顺，关系列车通行安全，因此需要重点监测。

(5)拉索索力及锚固区锈蚀监测：拉索是斜拉桥结构的重要承重构件之一，是联系主梁和主塔的纽带，斜拉索的工作状态是斜拉桥是否处于正常状态的主要决定因素，拉索的正常受力是桥梁结构安全的重要保障，因此对斜拉索索力需要进行监测。缆索类桥梁在锚固区域的锈蚀问题往往是结构破坏的直接因素，因此需要对锚固区域的锈蚀进行监测。

(6)应力应变监测：在结构恒载、交通等荷载作用下，主桁构件受力复杂，且易发生局部屈曲，尤其在轨道交通荷载作用下，应力变幅较大，易出现疲劳现象及应力幅度较大，因此需要进行应变监测，反应关键构件在荷载作用下的结构安全性能。

(7)动力响应监测：结构动力响应监测是为掌握桥梁在交通、风、地震动等动力荷载作用下的动力响应，特别是高铁引起的车桥耦合振动效应显著，除关注主梁的整体振动响应外，还应关注线路不平顺引起的局部振动，判别结构整体刚度和结构安全状况。

(8)行车状态监测：列车是铁路桥梁的主要活载，不同的列车以不同的速度通过桥梁，将会引起桥梁不同的响应，为便于进行结构响应分析，需要记录列车通行时间及通行速度。

4.2 监测方法与测点布置

(1)桥址环境监测：桥址环境主要监测的是风荷载和温湿度。目前对桥梁环境风荷载的监测主要采用风速风向仪[6]，对桥梁环境温湿度的监测主要采用温湿度计。风速风向仪是由风速传感器和风向传感器组成，动态特性好。温湿度计主要选择数字温湿度传感器，该传感器具有响应时间短，精度高，长期稳定性好等特点。

根据桥址环境特点，选择主跨跨中上游侧布设1个风速风向仪和温湿度计，采用定时采集的方法，实时监测桥面的风速风向变化情况。风速风向的采集频率为1 s/次，温湿度的采集频率为10 min/次。

(2)结构温度监测：在主跨跨中、辅助墩主梁和索塔位置主桁杆件上安装温度传感器，温度传感器采用激光点焊的方式与桁架进行固定。结构温度采用定时采集的方法，采集频率为10 min/次。见图3。

图3 结构温度监测测点布置横断面示意

(3)空间变位监测：主要监测列车通过时的桥梁空间变位。考虑到桥塔的高度和斜拉桥的跨度，桥梁空间变形的监测主要采用GPS的测量方式[7，8]。根据桥梁结构控制截面和主要控制点，选择主塔塔顶、主跨跨中上、下游侧和两索塔顶部布置监测点，另在岸侧适合位置选取1个基准点。空间变位采用定时采集与触发采集相结合的方法，定时采集频率为1 h/次，当列车通过时自动触发采集。

(4)主梁线形(挠度)监测：主梁挠曲变形主要选用静力水准仪进行监测，静力水准仪采用高精度微压传感器来测量测点处水位的变化，从而反应出高差[9，10]。静力水准仪布置在主跨等分点及次边跨跨中。主梁线形(挠度)监测采用定时采集与触发采集相结合的方法，定时采集频率为1 h/次，当列车通过时自动触发采集。见图4。

图4 静力水准仪

(5)动力响应监测：主要监测列车通过时的动力响应，分别在主跨1/4跨、1/2跨、3/4跨及边跨、次边跨跨中各布设2个加速度传感器和1个速度传感器。监测方式为触发采集。

(6)动应力与疲劳监测：测点分布在主跨跨中、主塔及辅助墩处主梁，在测点处的桁架表面固定应变传感器。监测时利用振动传感器进行触发采集，测点布置见图5。

(7)静应力监测：测点分布在主跨跨中、主塔及辅

助墩处主梁，在测点处的桁架表面固定应变传感器。测点布置位置和动应力与疲劳监测点位置相同。静应力采用定时采集的方法，采集频率为10 min/次。

图5 动应力与疲劳监测测点横截面布置示意

(8)拉索索力及锚固区锈蚀监测：拉索索力主要采用索力传感器[11，12]。锚固区锈蚀监测主要利用高清摄像机进行监测[13]，测点布置在跨中的上下游侧。拉索索力采用定时采集与触发采集相结合的方法，定时采集频率为1 h/次，当列车通过时自动触发采集。锚固区锈蚀监测采用定时采集的方法，采集频率为1 h/次。监测项目及测点见表1，健康监测测点布置见图6。

表1 监测项目及测点

监测类型环境荷载源监测结构响应监测监测项目环境风荷载环境温湿度结构温度行车状态地震船撞变形监测空间位移梁端转角支座位移线形监测钢轨伸缩调节器索力及锚固区锈蚀监测动力响应动应变与疲劳静应力监测传感器类型测点数量监测部位风速风向仪1主跨跨中上游侧空气温湿度计1主跨跨中上游侧温度传感器30主跨跨中、辅助墩主梁、索塔测速雷达4轨道加速度传感器6主墩墩顶GPS5主跨跨中、索塔塔顶、岸侧基准站倾角传感器6梁端桁梁位移传感器4梁端支座静力水准仪13主跨等分点及次边跨跨中高清摄像头2梁端拾振器、高清摄像头74每隔一根拉索安装1个索力测点,跨中上下游各安装1个球机加速度传感器+速度传感器24主跨1/4跨、1/2跨、3/4跨,边跨、次边跨跨中应变传感器36主跨跨中、主塔及辅助墩处主梁振弦式应变计36主塔及辅助墩处主梁合 计242

图6 安庆铁路长江大桥健康监测测点布置(单位：m)

4.3 数据采集与传输

数据采集设备采用网络分布式采集仪器，该采集设备具有24位采集精度，动态范围约为120 dB，具有良好的抗震和通风设计，适合野外环境的长期运行。根据桥上传感器的分布特点，同时减少数据线走线距离，在桥上设置9台数据采集仪和2台视频采集仪，每台采集仪接入相邻的传感器，再经由3G路由器将现场监测数据通过无线网络传输到后台的服务器。如图7、图8所示。

图7 数据采集仪器纵断面布置位置示意

图8 现场数据采集与传输系统

4.4 预警与评估

预警主要是通过对结构应力、变形、索力、温度等监测参数建立预警指标，通过传感器监测、人工巡检得到的各类定量、定性的数据，进行统一的数据处理分析，然后与预警指标进行对比，得到桥梁结构安全状态的预警报告。

评估的主要目的是对桥梁结构的安全状态进行评价。桥梁安全性评估可采用基于可靠度理论、模糊评价的层次分析法，即将整体结构按照功能和体系分割成相对独立的部分，然后按照各自的指标进行分块评估，再利用适当的标准聚合成整体的评价。

5 结论

鉴于安庆铁路长江大桥的重要地位，根据其技术特点，提出了针对安庆铁路长江大桥的长期监测方案，主要结论如下。

(1)安庆长江大桥结构健康监测系统主要包括4个子系统：自动化数据采集监测子系统、综合预警安全评估子系统、数据库管理子系统和用户界面子系统。

(2)大桥长期监测的内容包括自然风荷载，空气温度与相对湿度，结构温度，跨中挠度和塔顶纵偏，主梁挠度，拉索索力及锚固区锈蚀，应力应变，动力响应，行车状态等。

(3)测点布置方案为：主跨跨中上游侧布设1个风速风向仪和温湿度计，在主跨跨中、辅助墩主梁和索塔位置主桁杆件上安装温度传感器，在主塔塔顶、主跨跨中上、下游侧和两索塔顶部布置GPS监测点，在主跨等分点及次边跨跨中布置静力水准仪，主跨1/4跨、1/2跨、3/4跨及边跨、次边跨跨中各布设加速度和速度传感器，在主跨跨中、主塔及辅助墩处主梁布置应力传感器，在跨中安装高清摄像机监测锚固区锈蚀情况。

(4)监测方法主要采用风速风向仪、温度计、位移计、加速度计、索力计、GPS、静力水准仪等设备，监测的方式主要采用定时采集和触发采集，数据传输方式采用无线传输。

参考文献：

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Monitoring Program Design of Anqing Yangtze River Bridge on Nanjing-Anqing Railway

YANG Bai-lin1， LIN Chao2

(1.Ning’an Railway Limited Liability Company， Wuhu 241000， China; 2.China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：The main bridge of Anqing Yangtze River Bridge is a steel truss girder cable stayed bridge with double-pylon and triple-cable plane and it is a high-statically indeterminate structure with strong nonlinearity and complex stress. In order to timely feedback the service conditions of the bridge and ensure safe operation of line， it is required urgently to build a long-term monitoring system. This paper addresses the main technical characteristics of the bridge and puts forward a set of long-term monitoring programs in perspective of monitoring content， monitoring method， position of measuring points， method of data collection and transmission， early warning and assessment. The research results may provide reference for the long-term monitoring program design of similar large span bridges．

Key words：Steel truss cable-stayed bridge; Monitoring program; Design’ Railway bridge

收稿日期：2016-06-14；

修回日期：2016-07-07

作者简介：杨柏林(1971—)，男，高级工程师，E-mail:[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2017)02-0068-05

中图分类号：U446

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.016