基于GPS监测数据的马鞍山长江公路大桥中塔位移状态分析

张立奎，徐一超

（1.安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽 合肥 230051；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

1 概述

悬索桥以其受力性能好、跨越能力大、轻型美观、抗震性能好而成为千米级主跨桥梁的首选桥型。在宽阔深水的江河和海域，多塔多跨连续悬索桥从技术上和经济上都是极为合理的选择。

早在上世纪30年代，建设美国旧金山-奥克兰海湾大桥时，就曾采用类似的设计方案，采用在2座悬索桥中间共用锚碇的方式满足刚度的要求。在此之后，国外多个著名海峡跨海工程中都曾出现多塔悬索桥的设计方案，如意大利墨西拿海峡中提出的双主跨1 750 m方案，直布罗陀海峡中提出的多种多塔多跨度悬索桥方案。与此同时，国内的学者和桥梁大师也在对多塔悬索桥进行深入的探索研究，并在马鞍山长江公路大桥和泰州长江大桥项目建设上得到实施。

与两塔悬索桥相比，三塔悬索桥的设计难点是中塔的技术处理，需合理选取中塔的结构形式，系统而协调解决三塔悬索桥关键技术问题以实现总体设计目标。三塔悬索桥在设计阶段都对中塔进行了充分的理论论证和有限元计算分析，如邹科官等［1］分析了中央扣对三塔悬索桥自振特性的影响；王萍等分析了多塔悬索桥的静力和自振特性；阮静［2］等研究了三塔悬索桥中塔结构选型问题；梁鹏等［3］研究了三塔悬索桥静动力特性与中塔选型。随着国内主跨千米级三塔悬索桥泰州大桥和马鞍山大桥的建成通车，以这2座桥为原型国内诸多学者对该类悬索桥进行结构分析或参数分析，但是对建成后中塔的正常工作状态评估和安全性分析还很匮乏。

为了保障大型桥梁的建造和服役安全，马鞍山长江公路大桥采用了桥梁健康监测系统，可以较全面地监测环境荷载、结构振动和局部静动力状态，把握桥梁结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律。本文基于健康监测实测数据首次对三塔悬索桥正常服役状态下中塔的位移状态特性展开研究，寻求与传统两塔悬索桥的力学行为差异。

2 工程概况

马鞍山长江公路大桥位于安徽省东部，全线总里程36.14 km，按全封闭、全立交6 车道高速公路标准设计，设计车速为100 km/h，设计荷载为公路—I级。左汊主桥桥型方案为主跨2×1 080 m 三塔两跨悬索桥，主桥净宽33 m，立面布置图见图1，其中左汊悬索桥中塔采用钢筋-混凝土叠合塔，塔柱全高178.8 m，见图2。右汊主桥为主跨2×260 m 三塔斜拉桥，为国内首座拱型塔三塔连跨斜拉桥。

图1 马鞍山长江公路大桥左汊悬索桥

图2 马鞍山大桥左汊悬索桥中塔立面图、侧面图

3 关键技术问题

在设计过程中，对三塔悬索桥的静力、动力特性进行深入研究，对各种荷载、各种工况下的结构受力变形特征进行分析，找出控制性的工况和结构之间的约束关系，探索全面解决技术问题的最佳途径。研究表明三塔悬索桥结构特征与两塔悬索桥的不同点在于：主缆与主塔间约束关系不同，即主缆对中塔塔顶的约束较两塔悬索桥弱；加载工况不同，理论上会出现一个主跨满载、一个主跨空载的极端工况；习惯用来反映桥跨结构刚度的挠跨比（挠度/跨度）的物理意义不同。这些不同点也形成了三塔悬索桥设计难点，其中关键点是中塔的技术处理。桥梁设计过程中合理选取中塔的结构形式是解决三塔悬索桥的关键，为此需满足以下几方面要求：桥跨竖向刚度合适，加载跨的竖向挠度在一定范围之内；最不利工况作用下，由活载引起的桥面纵坡控制在合理范围；主缆与鞍座间抗滑移问题得到较好的解决，主缆镀锌钢丝与鞍座鞍槽间的摩擦力足够保障抗滑移稳定，无需大量增加其它附属措施和采用不成熟或不可靠的技术；中主塔本身的强度安全有充分保障，中主塔在大桥服务期内不会发生疲劳损害；中塔的稳定性满足规范要求，包括纵向与横向稳定；中主鞍座与中塔间的连接不难实现（连接的难易程度与中塔两侧不平衡力以及中塔采用的材料有关）；中塔及中塔基础工程规模较小（基础规模与中塔底部尺寸、塔底反力相关）。

上述目标相互制约，必须予以统筹考虑、协调解决，最终马鞍山长江公路大桥三塔悬索桥中塔选用钢筋-混凝土叠合塔。钢筋-混凝土叠合塔刚柔相济、刚度适中，上段钢结构对变形的适应能力较强，且钢结构强度高，满足受力需要；下段为混凝土结构，养护不存在问题，且可以很好地防船撞，混凝土中可施加预应力，受力满足要求。目前结合已经建成的马鞍山大桥，国内学者对静、动力特性进行了详细地分析研究［4-6］。但是目前的研究还是基于建模分析，与实际工程还有出入。本文首次对建成后的三塔两跨悬索桥的中塔运营状态进行分析。

4 三塔悬索桥中塔状态分析

4.1 监测测点布置

马鞍山长江公路大桥结构健康监测系统通过测量反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营并为大桥的养护维修提供科学依据。系统测点在左汊桥和县一侧塔顶、马鞍山一侧塔顶各1个，中塔塔顶2个，左汊桥和县一侧主梁1/2处2个（上下游各1），左汊桥马鞍山一侧主梁1/2处2个（上下游各1），监控中心基站1个，共9个（具体测点布置图见图3）。实时监测大桥的几何线形及其变化，研究索塔与主梁挠度变化与环境变化(风、温度、交通荷载)的关系，为大桥工作状态动态显示及结构健康评估提供资料。

图3 马鞍山大桥左汊悬索桥GPS监测测点布置图

4.2 塔顶位移时程分析

系统实测得到的马鞍山长江公路大桥左汊悬索桥三塔水平向位移的位移时程曲线见图4。由图4可以看出，同一时间段内，南北塔顺桥向位移变化范围在-0.05~0.06 m，中塔顺桥向变化范围在-0.2~0.25 m，中塔上下游横桥向位移变化范围在-0.06~0.08 m。通过对实桥三塔水平向位移的分析比较说明，对于三塔悬索桥，在运营期内需要加强对中塔顺桥向结构特性的监测分析。同时结合有限元分析，考虑到马鞍山大桥采用加劲梁与中塔固结的塔梁固结结构体系，固结体系三塔两跨悬索桥在活载单跨满布时的整体位移如图5所示，纵向固定约束减少了加劲梁纵向位移，中间塔纵向弯曲变形远大于边塔，加劲梁挠度中间塔处几乎为零，满载侧下挠，空载侧上挠，最大值都位于跨中附近，偏向于中间塔。

同时通过文献［6］可知活载最不利影响线加载作用下中塔塔顶纵向最大偏位（位移）为1.367 m，纵向偏位与塔高比值为1/123。而基于GPS监测数据获得的运营期内中塔塔顶顺桥向最大位移为0.212 m，不到理论最大纵向偏位的15%。本文认为造成这一结果的原因是：（1）实际通行车辆还远没达到理论计算中的满载量；（2）理论最大偏位量是在极端工况（一个主跨满载、一个主跨空载）下得到的，正常运营期内不会出现这种情况；（3）马鞍山大桥刚建成不久，各塔梁结构稳定，塔本身的强度安全有充分保障。因此，只有通过对中塔纵向位移进行长期的监测和分析，比较各年度中塔纵向偏位的变化趋势，推衍出中塔刚度衰退的规律才能对于马鞍山大桥右汊悬索桥中塔稳定性有较为科学直观的评定。

图4 马鞍山大桥左汊悬索桥三塔水平向位移时程曲线图

4.3 塔顶累计位移分析

相关研究表明，累计位移可作为判定在桥梁在运营期内中塔不因疲劳而损坏的重要依据之一［7］，中塔顺桥向累计位移监测可以为中塔的疲劳特性分析、稳定性分析和安全评定提供理论基础。

图5 活载单跨满布时固结体系三塔两跨悬索桥结构整体位移

图6 为马鞍山大桥左汊悬索桥三塔顺桥向日累计位移值示意图（各塔位移采样频率均为1Hz）。由图6可以看出，对于三塔悬索桥，中塔顺桥向日累计位移远大于南北塔，说明两塔悬索桥和三塔悬索桥在中塔纵向刚度控制方面存在差异；相似环境状态下，各塔顺桥向变形的均匀性相对较好。

图7 2014-12-15马鞍山大桥左汊悬索桥中塔顺桥向变形与温度对比

图6 2014-12月中旬三塔塔顶顺桥向累计变形

图7 为2014-12-15马鞍山大桥左汊悬索桥中塔顺桥向变形与温度对比。从图中可以看出，一天内中塔顺桥向变形“头尾大、中间小”，温度变化“先下降后升高”，顺桥向变形与温度变化之间相关性较差。分析其原因可能是由于一个主跨满载、一个主跨空载导致；而中塔顺桥向的位移变化，初步判断是由于20：00~4:00通行车辆数目减少，大载重车辆比重较大所导致的，此结论还有待马鞍山大桥疲劳车辆荷载谱进一步证实。

5 结论

（1）正常运营下，马鞍山大桥左汊悬索桥中塔的顺桥向变形远大于南北塔顺桥向变形和中塔的横桥向变形。

（2）三塔悬索桥中塔顺桥向变形与温度变化之间的相关性不明显，分析认为顺桥向变形与通行车辆有一定的相关性。

（3）对马鞍山长江公路大桥中塔变形进行监测，统计其累计变形并进行有效分析，有助于对桥梁主塔状态作出科学评价，进而指导桥梁主塔的管养工作。

［1］邹科官，王浩，梁书亭.中央扣对三塔悬索桥动力特性的影响［J］. 建筑科学与工程学报，2009，26（4）：49-53.

［2］阮静，吉林，祝金鹏.三塔悬索桥中塔结构选型分析［J］.山东大学学报：工学版，2008，38（2）：106-111.

［3］梁鹏，吴向男，李万恒，等.三塔悬索桥静动力特性与中塔选型［J］.交通运输工程学报，2011，11（4）：29-35.

［4］杨光武，徐宏光，张强.马鞍山长江大桥三塔悬索桥关键技术研究［J］.桥梁建设，2010 （5）：7-11.

［5］唐贺强，张强，杨光武.马鞍山长江公路大桥三塔悬索桥结构体系选择［J］.桥梁建设，2011（1）：5-9.

［6］高康平，张强，唐贺强，等.马鞍山长江公路大桥三塔悬索桥中塔刚度研究［J］.桥梁建设，2011（5）：1-5.

［7］张宇峰，承宇，傅斌,等.基于健康监测实测数据的江阴长江大桥伸缩缝状态分析与评定［C］∥全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集，2008：253-258.