上海长江大桥主航道桥GPS监测数据分析

查正军

（上海巨一科技发展有限公司,上海市 200051）

上海长江大桥主航道桥GPS监测数据分析

查正军

（上海巨一科技发展有限公司,上海市 200051）

根据上海长江大桥主航道桥GPS监测数据，分析塔顶位移和跨中位移的长期变化情况，以及在堵车突发事件下结构的变形情况。结果表明，塔顶顺桥向位移长期呈周期性变化，与温度相关性明显；突发事件中堵车对桥梁结构位移影响明显。

GPS监测；结构位移；周期性趋势；相关性分析；堵车工况

0 引言

大桥的空间几何形态的长期演变和短期变化反映了结构的时变特性和安全性能，是大桥运营养护部门需要掌控的重要指标。基于GPS的桥梁监测系统是大跨径桥梁性能与安全监测的主要手段之一[1]。

GPS监测系统即GPS RTK差分系统，由基准站与监测站组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站，监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。GPS RTK测量其竖向定位精度可以达20 mm，平面精度可以达10 mm，其采样频率一般为10 Hz以上[1]。

上海长江大桥主航道桥为主跨730 m的双塔双索面分离式钢箱梁斜拉桥。与上海东海大桥、香港青马大桥等近百座大跨径桥梁一样，均建立了含GPS系统的健康监测系统。本文基于长江大桥主航道桥的GPS位移监测数据，分析了结构在长短不同周期荷载作用下的性能规律及结构响应特点。

1 趋势分析

1.1 长期趋势分析

大桥在上下行的主跨跨中以及 PM61塔、PM62塔顶布置1个GPS监测点，大桥的管控中心设置1个基准站，GPS设备为Trimble 5 700接收机，测点布置如图1所示。

图1 上海长江大桥主航道桥GPS监测布点图

取2010～2015年度监测数据（10 min均值），对塔顶顺桥向位移和主跨跨中竖向位移进行长期趋势分析。图2、图3分别是PM61塔、PM62塔顺桥向位移趋势图，由图可看出：

图2 PM61塔顶顺桥向位移6年变化图（单位:mm）

图3 PM62塔顶顺桥向位移6年变化图(单位:mm)

（1）塔顶顺桥向位移都有明显的季节变化规律，夏季偏向边跨，冬季偏向主跨，这与理论分析结果一致：夏季温度高偏向边跨，冬季温度低偏向主跨；推测大桥受长周期的温度荷载影响较为显著。

（2）两个塔顶顺桥向位移变化幅度是一致的，塔顶顺桥向位移变化范围为±150 mm左右（限值为±628 mm），在限值范围内。

图4、图5分别是上行、下行主跨跨中竖向位移趋势图，由图可看出：

图4 主跨跨中上行侧竖向位移6年变化图（单位:mm)

图5 主跨跨中下行侧竖向位移6年变化图(单位:mm)

（1）季节温度变化对主跨跨中竖向位移无明显影响。其中,2013年长江大桥上行侧3号车道因铺装损坏进行了铺装更新，铺装铲除造成跨中竖向位移上挠，铺装完成后，位移恢复到铺装更新前水平。

（2）主跨跨中竖向位移变化范围为-75～170 mm左右（限值为-1 024～217 mm），都在限值范围内。

1.2 与温度相关性分析

为验证趋势分析的推测，大桥位移受长周期温度影响显著，结合6年的实测数据进行位移与温度的相关性分析。

2010～2015 年长江大桥主航道桥的桥面大气温度的变化范围为-8.0℃～+40.3℃。采用结构有限元模型对极端温度变化对大桥结构的影响进行理论分析（初始化温度为20℃）。表1为极端温度条件下主航道桥的实测变形、理论变形以及限值统计情况。图6为大桥极端温度变形示意图，图7、图8为2015年PM61塔、PM62塔塔顶顺桥向位移与温度相关性图，表2为历年大桥塔顶顺桥向位移和梁端位移随温度变化的监测斜率和理论斜率。分析表明：

（1）在极端低温条件下，PM61塔、PM62塔塔顶顺桥向位移为分别为126 mm（偏向主跨）、-102 mm（偏向主跨），而理论值分别是191mm和-191 mm；

（2）在极端低温条件下，PM61塔、PM62塔塔顶顺桥向位移为分别为-128 mm（偏向边跨）、114 mm（偏向主跨，理论值），而理论值分别是-144 mm和144 mm；

（3）塔顶顺桥向位移与温度的相关性指标变化稳定，且与有限元分析理论计算结果吻合良好。

表1 极端温度下塔顶顺桥向位移变形表 mm

图6 极端温度变形示意图

图7 PM61塔顶顺桥向位移与温度相关性图（2015年）

图8 PM62塔顶顺桥向位移与温度相关性图（2015年）

表2 塔顶顺桥向位移与温度的理论和监测斜率对比表 mm/℃

2 堵车时间分析

为分析短周期荷载作用下大桥关键位移的响应特征，选择典型的偏载工况——单向堵车事件进行相应的分析。

2016年4月4 日13时起，G40高速迎来返程高峰，崇明往上海市区方向长江隧桥持续拥堵，拥堵18 h，绵延42 km，拥堵一直持续到4月5日早晨。

分析GPS系统在该次堵车前后（时间点4月4号0:00到4月6号0:00）的结构响应数据，图9、图10为堵车期间主跨跨中竖向位移图和塔顶的顺桥向位移图。

图9 堵车时间段跨中竖向位移（单位:mm）

图10 堵车时间段塔顶顺桥向位移（单位:mm）

分析结论如下：

（1）4月4日下午开始，主梁跨中挠度下挠开始增大，到4月5日5:30分左右达到最大，下行侧的竖向位移明显大于上行侧。

（2）主塔顺桥向位移主要受气温变化的影响，但也在4月5日5:30分左右出现明显变化。

（3）消除温度效应：根据堵车中最大位移时刻对应的温度，统计堵车前、堵车后同时间点相近温度下位移数据，用堵车中最大位移减去同温度下堵车前后GPS位移均值（消除温度效应），计算出堵车时实测最大位移值，并与理论值进行对比。表3为堵车工况下最大位移计算表。从表中可以看出：PM61、PM62顺桥向最大位移分别为58 mm、-44 mm，分别接近理论值59 mm、-59 mm；主跨跨中竖向位移，下行侧（堵车侧）为-250 mm，接近理论值-290 mm，上行侧为-133 mm，小于理论值-204 mm（这里的理论值详见表3注释）。

表3 堵车时间段最大位移计算表 mm

（4）堵车结束后，结构形态又恢复到堵车前水平，说明大桥处于弹性工作状态，堵车未对大桥结构造成不良影响，结构处于安全状态。

3 结 语

根据2010年至2015年6年的GPS监测数据分析，得出以下结论：

（1）长期趋势看,塔顶顺桥向位移呈周期性变化，主要受温度影响，与温度相关性明显,而跨中竖向位移没有周期性变化，与温度相关性不明显。

（2）堵车事件（偏载工况）中，下行侧跨中（堵车侧）实测竖向位移大于上行侧跨中（非堵车侧）实测竖向位移。堵车结束后，结构又恢复到堵车前状态，表明大桥处于弹性工作状态，结构是安全的。

（3）对于大跨度桥梁的关键部位（主塔塔顶、主跨跨中）的GPS位移监测数据能真实地反映结构的响应，长期性能变迁可关注位移与温度的相关性指标，短期极端事件下的结构响应可结合有限元分析判断结构的安全状况。

[1]姚连璧，姚平，王人鹏，等.南浦大桥形变GPS动态监测试验及结果分析 [J].同济大学学报，2008,36（12）：1633-1636,1664.

[2]乔燕，孙传智，缪长青.基于GPS的大跨悬索桥动态特性监测及分析[J].测绘通报,2012(3):1-4.

[3]吴杰，乔燕，苗恒亚，等.基于GPS的大跨桥梁动态监测试验及分析 [J].工程勘察，2016（8）43-47.

[4]黄声享，吴文坛，李沛鸿． 大跨度斜拉桥GPS动态监测试验及结果分析［J］.武汉大学学报:信息科学版，2005，30(11): 999-1002.

U446

B

1009-7716（2017）03-0177-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.048

2017-02-08

查正军（1981-），男，安徽安庆人，工程师，从事桥梁结构健康监测工作。