南京长江隧道右汊悬索桥健康监测系统研究与设计

邢丹丹，欧阳歆泓，张宇峰，彭家意

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室, 江苏 南京 211112；3. 长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室，江苏 南京 211112；4. 江苏省公路桥梁工程技术研究中心，江苏 南京 211112；5.江苏省长大桥梁健康监测数据中心，江苏 南京 211112）

南京长江隧道右汊悬索桥健康监测系统研究与设计

邢丹丹1，2，3，4，5，欧阳歆泓1，2，3，4，5，张宇峰1，2，3，4，5，彭家意1，2，3，4，5

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室, 江苏 南京 211112；3. 长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室，江苏 南京 211112；4. 江苏省公路桥梁工程技术研究中心，江苏 南京 211112；5.江苏省长大桥梁健康监测数据中心，江苏 南京 211112）

根据南京长江隧道右汊悬索桥（夹江大桥）的结构形式及桥址处的环境特点，建立夹江大桥结构有限元模型进行分析计算，按照先进、合理、适用等原则，对该桥的健康监测系统测点布设方案进行了优化设计，并对部分监测数据进行介绍与分析,为科学地进行结构健康与安全状态评估奠定了基础。

健康监测；悬索桥；测点布设；安全评估

1 工程概况

南京长江隧道工程位于南京长江大桥与三桥之间，由江南滨江快速路与应天大街互通立交过渡段接入点起，至江北收费广场连接快速路500 m处止，全长5 853 m。整个工程采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案，右汊桥梁即为夹江大桥，是南京长江隧道工程重要的组成部分。

夹江大桥全长665.5 m，主跨248 m，为独塔自锚悬索桥，主塔高107 m。大桥双向6车道，主桥两侧设有人行道，供行人步行过江。主桥为独柱塔自锚式悬索桥，孔跨布置为（35+77+60+248+35） m。主桥边跨跨度为137 m，在边跨设置一个辅助墩，将边跨跨度划分为（77+60） m；主跨跨度为248 m，边跨与主跨跨度比为0.55。主塔在桥面以上塔高（从主塔中心线处线路设计高程计算至主缆在主塔上的理论顶点）为80 m，桥塔高跨比为0.32。

夹江大桥设计车速为80 km/h，设计荷载为城-A级，抗震设防标准按100年基准期超越概率10%的地震动参数设防，设计风速为南京地区100年重现期下的设计基本风速（开阔平坦地面10 m高度处10 min平均风速）为27.1 m/s［1-2］。

2 结构特点解读［3］

南京长江隧道右汊悬索桥（夹江大桥）气势宏伟、结构新颖，从桥梁设计及受力分析角度来看，具有以下特点：

（1）从桥梁形式来看，夹江大桥是一座独柱塔自锚式悬索桥，是一种富有创新性的桥梁结构，在一定程度上，实现了结构与景观的和谐统一。目前世界最大跨径的独柱塔自锚式悬索桥是美国旧金山-奥克兰海湾大桥，主跨跨径为565 m。

（2）从结构体系来看，夹江大桥的结构体系为，主梁纵向受弹性索约束，竖向受限位挡块约束，横向受抗风支座约束，扭转受上下游竖向拉压支座联合约束。

（3）从结构组成来看，夹江大桥主梁分为两幅设置，净距为8.2 m，两幅主梁之间以多道横梁连为一体，形成纵横梁体系。主跨主梁采用钢箱梁，边跨及锚跨主梁采用预应力混凝土箱梁。主塔在主梁下方设置一道横梁，对主梁提供竖向支承。在主塔横梁端部设置有一对斜拉索，该斜拉索穿过主梁锚固在主塔上。主缆在横桥向分为两股，在边跨位于竖直平面内，锚固于横梁中部；在主跨为空间索形，锚固于横梁两端。吊索在边跨位于竖直平面内，锚固于横梁中部；在主跨为空间布置，锚固于横梁两端。如图1所示。

图1 钢箱梁和混凝土箱梁混合结构（单位：cm）

由于采用了独柱塔自锚式这一新颖的结构形式，夹江大桥受力较为复杂，其塔底弯矩在施工和运营阶段均较大，索塔的工作状态则是其正常使用的关键，钢混组合段的受力亦必须重点关注。

3 健康监测系统设计［4］

为确保夹江大桥结构健康监测系统的建立具备有效性和针对性，首先进行理论分析及有限元整体计算，掌握桥梁结构的主要控制构件、控制节点和控制参数。夹江大桥有限元计算模型如图2所示。

将传感器布置在结构应力最大处、应力变化最大处、位移最大处、几何变形最大处、结构模态分析必须控制的点及环境荷载主要监控点等地方，适当考虑测点冗余。同时还需考虑对桥梁使用功能产生重要影响的参数，以及监测点的数据与结构状态评估的有效对应。夹江大桥有限元分析计算结果如图3所示。根据上述结构特点分析和有限元计算结果，最终设计完成的南京长江隧道右汊悬索桥（夹江大桥）健康监测系统主要包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与控制子系统等3个子系统。通过对桥梁进行长期在线连续监测，分析处理监测信息，对桥梁结构的健康状况和行车安全性能进行科学评估，并对运营中出现的故障及时进行预警。

图2 夹江大桥有限元计算模型

图3 夹江大桥成桥阶段弯矩图

对于桥梁健康监测系统来说，传感器的选择和测点位置的确定是最基础也是最重要的工作。对于大跨桥梁结构，结构的响应量（如应变、挠度、索力、震动频率等）除与结构本身特性及其所受的荷载有关外，还与结构所处的环境条件（如风速、环境温度、湿度、边界条件等）密切相关，因此除了关键位置结构响应的监测外，环境因素的监测也是不可忽略的。

对于环境因素的监测，大桥健康监测系统主要采用风速仪、空气温湿度计、非接触式温度计、振弦式温度传感器等分别对主桥风速、空气温湿度、路面温度、结构温度等进行实时监测。其中以风速仪的布置为例，随着大跨桥梁主跨跨径的增加，风荷载对大跨桥梁动力响应的影响也越来越重要。大跨桥梁动力响应分析结果的精度很大程度上取决于分析所采用的风场特性，然而，在桥梁设计阶段桥址风场特性往往是根据桥梁抗风设计规范得到的，而不是从现场实测得到的。同时由于南京地处东南沿海带，常年受到（强）台风的影响（以2015年第9号台风“灿鸿”为例），因此有必要对桥梁的实际风场特性进行设计验证。

对于结构响应的监测，大桥健康监测系统主要采用压力变送器、倾角仪、加速度传感器、应变传感器、直线位移传感器等分别对整体位移、索塔变位、主梁振动和吊索索力、结构应变、梁段位移等进行实时监测。其中以用于监测主梁动力特性的加速度传感器为例，桥梁的振动频率是桥梁的固有特性，不会随着外界荷载的变化而变化，因此完好桥梁的振动频率是相对稳定的，当桥梁出现较大损伤或结构改变时，桥梁的振动频率也会随之改变，因此桥梁频率蕴含着桥梁的整体结构信息与安全信息，因此有必要对桥梁的振动频率进行分析。通过加速度传感器可以采集到桥梁的振动加速度数据，可以对桥梁各构件的振动进行频谱分析，从中得出桥梁各构件的振动频率，从而了解桥梁的整体特性。

传感子系统主要采用了6类传感器，监测了11项指标，其测点布置如图4所示。主要监测指标如表1所示。

图4 夹江大桥健康监测系统测点总体布置图（单位：cm）

表1 夹江大桥健康监测系统主要监测指标

从数据采集与传输子系统来看，夹江大桥健康监测系统在桥位处采用了1个外站，以FDDI双环光纤网与控制机房服务器相联，其网络拓扑结构如图5所示。

4 部分系统实测数据分析

对桥梁健康监测系统采集数据的分析，不但能够推动桥梁结构状态监测与评估技术的发展和广泛应用，而且为桥梁结构运营和管理打下牢固的理论和方法基础。目前南京长江隧道右汊悬索桥健康监测系统已运营一年多，系统运行状况良好，工作稳定。下文以部分监测数据为例进行分析。

2015-07-11T16∶40前后，“灿鸿”台风（2015-09）在浙江舟山市朱家尖镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有14级（45 m/s），登陆后向北偏东方向移动，强度逐渐减弱，台风“灿鸿”路径实时图示如图6所示。虽然台风和江苏擦肩而过，但是“灿鸿”外围的螺旋雨带也给江苏东南部送来了明显的风雨。

7月份全月南京长江隧道右汊悬索桥桥址处实时风速时域图如图7所示，从图中可以看出在2015-07-11～12，大桥附近风力很强。7月11日全天实时风速变化如图8所示。该天全天风速均较大，尤其14∶00～18∶00期间风速很大，这与台风登陆浙江的时间相一致。同时在此期间最大实测风速为25.36 m/s，2 min平均风速最大值为19.83 m/s，相当于8级风力等级。

图5 夹江大桥结构健康监测系统网络拓扑图

图6 台风“灿鸿”路径实时图示

此外，为了评估“灿鸿”台风导致的大风速对桥梁结构的安全性是否有影响，引用阵风系数。阵风系数定义为1 h内某时间长度（如3 s）内的平均风速的最大值与每小时平均风速的比值，即：

式中：（t）为t时间内的平均风速， 一般取1～3 s。随着时间的增加，阵风系数越来越小。在一定期间内，越大的阵风系数表示越高的脉动风速。阵风系数表示脉动风速的大小，因此，当风速较小时，较大的阵风系数代表的脉动风速也不会超过桥梁的设计风速，而当风速较大时，较大的阵风系数代表的脉动风速将更大，有可能超过桥梁设计风速，从而导致桥梁结构受到损害。南京长江隧道右汊悬索桥7月份期间阵风系数与60 min平均风速关系如图9所示。根据统计数据可知，7月11日风速最大期间主塔塔顶的阵风系数仅约为1.8。因此“灿鸿”台风期间的脉动风速对南京长江隧道右汊悬索桥结构的安全性能影响很小。

图7 夹江大桥北塔塔顶7月风速

图8 夹江大桥主塔塔顶实时风速变化图

图9 大桥主塔塔顶阵风系数与60 min平均风速关系

5 结语

南京长江隧道右汊悬索桥（夹江大桥）健康监测系统主要采用现代化的传感技术、测试技术及计算机和通讯技术对大桥所处工作环境和各种使用荷载下的结构性能进行实时监测和评估。系统通过实时采集大桥在运营状态下的各种数据和信号，获取反映桥梁健康状况的特征信息，为大桥养护管理提供技术依据，对大桥的安全可靠性作出评价。系统的设计考虑了后期结构状态识别和安全评估的需求，硬件设备的选取充分考虑了技术先进性、耐久性、稳定性、实用性、经济性等方面因素，保证了系统能够采集到准确反映大桥结构工况的参数信息和数据。

南京长江隧道右汊悬索桥（夹江大桥）健康监测系统的建立，起到了科学指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固的作用，较大地提高了大桥的整体管理技术水平，可节约后期维护经费，对保证夹江大桥的正常运营具有重要的意义。

［1］江苏省交通科学研究院股份有限公司.南京长江隧道右汊悬索桥结构监测招标-JC3标段投标文件［R］. 2014．

［2］江苏省交通科学研究院股份有限公司.南京长江隧道右汊悬索桥结构监测招标-JC3标段施工图设计［R］. 2014．

［3］肖建平.夹江大桥施工工艺研究［D］.南京：东南大学，2006.

［4］孙斌，董平，蒲晓轩，等.南京夹江大桥主塔基桩承载性状分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（增 1）：2986-2993.

Structural Health Monitoring System for Right Branch Suspension Bridge of Nanjing Yangtze River Tunnel

（Xin Dandan1,2,3,4,5, Ouyang Xinhong1,2,3,4,5, Zhang Yufeng1,2,3,4,5, Peng Jiayi1,2,3,4,5
（1. JSTI Group, Nanjing 210017, China; 2. The State Key Laboratory on Safety and Health of In-service Long-span Bridges, Nanjing 211112, China; 3. Key Laboratory of Long-span Bridge Health Inspection and Diagonsis Technology, Nanjing 211112, China; 4. Jiangsu Highway Bridge Engineering Technology Research Center, Nanjing 211112, China; 5. Jiangsu Long-span Bridge Health Monitoring Data Center, Nanjing 211112, China））

The SHMS (structural health monitoring system) is established in right branch suspension bridge of Nanjing Yangtze River Tunnel. The layout scheme of the sensors is optimized based on the bridge structure and its circumstance. This paper constructes finite element model of the bridge for optimizing the layout scheme of the sensors. Some data from SHMS is presented and analyzed. These works are significant to estimate the health and safety of the bridge scientifically.

health monitoring; cable-stayed bridge; sensor layout scheme; safety assessment

U446.2

A

1672-9889（2016）06-0043-05

2015-12-17）

邢丹丹（1985-），女，江苏南通人，工程师，主要从事桥梁健康监测、检测以及相关科研工作。