鹅公岩轨道悬索桥健康监测传感器测点优化布置

李正浩

（重庆交通大学土木工程学院，重庆400074）

在桥梁结构的模型试验、现场检测和长期健康监测中，有关测试传感器在结构中的优化布置问题已越来越受到人们的重视。为了确保检测系统的测试和辨识结果的准确性和正确性，进行传感器的最优数目选择和测点定位优化设计是必要的[1]。考虑到桥梁监测系统中的经济性，对传感器的安装数量总是把控在一定范围以内。因此，如何从有限测点内采集到有效、更能反映桥梁真实状态的数据，是大跨度桥梁健康监测的关键技术之一。

1 测点布置依据

从理论上来说，结构健康监测系统的传感器越多，对结构的静力和动力特性反映结果也就越精确，但考虑到传感器以及传输和接收设备等的费用，一般只能使用有限数量的传感器。所以，如何兼顾有效性和经济性，即用最少的传感器获取桥梁较为全面、准确的结构参数信息[2]。

鹅公岩轨道悬索桥结构安全健康监测系统传感器测点布置主要根据：运用有限元软件建立全桥模型并分析其静力特性，进而得出在各荷载组合工况下的主梁竖向位移、应力、索力的变化趋势，找出主梁竖向位移、主梁应力、索力等极值或最值点，结合各类结构构件在桥梁结构安全中的重要性和传统经验布置方案，确定出鹅公岩轨道悬索桥静力特性竖向位移、应力、索力传感器的测点位置。

2 工程概况

鹅公岩轨道专用桥位于既有鹅公岩长江大桥上游约45m（边缘）。桥梁起点桩号YDK39+589.429，终点桩号YDK41+239.929，大桥全长1650.5m。大桥采用与既有大桥对孔布置的桥型方案，主桥采用600m 主跨自锚式悬索桥方案，主桥跨径组合为50+210+600+210+50=1120m，共5 跨。西边跨连接于P13 塔，东边跨连接于P14 塔。桥面宽度22m。主梁为钢梁- 混凝土梁混合结构，主墩为钢筋混凝土结构。

3 静力有限元模型分析

3.1 计算荷载及荷载组合

3.1.1 计算荷载

（1）恒载

①结构自重：混凝土容重取25KN/m3；钢材容重取78.5 KN/m3。

②二期恒载：人行道及栏杆重量14 KN/m；防撞护栏12 KN/m；计入轨道、通信、信号、照明、消防等专业荷载后，全桥按100KN/m 计算二期恒载。

③预应力：锚下张拉控制应力：σcon=0.75fpkσcon=0.75fpk；松弛率ρ=0.035ρ=0.035，松弛系数ζ=0.3ζ=0.3；锚具回弹按单端6mm 计；金属波纹管：μ=0.25μ=0.25，k=0.0015k=0.0015。

④混凝土收缩及徐变；按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算；徐变龄期取20 年。

（2）活载

①列车竖向静活载：两线轨道，8 节编组，轴重150KN，不考虑折减。

②列车竖向动力作用：列车竖向活载包括列车动力作用，该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数。（1+μ）（1+μ） 动 力 系 数 为：（1+μ）=1+2840+600x0.8=1.035（1+μ）=1+2840+600x0.8=1.035。

③列车横向摇摆力：按相邻两节车四个轴重的15%计，取值为150×4×15%=90KN。

④人群荷载：取2.5KN/m2。

3.1.2 荷载组合

本文依据《铁路桥梁钢结构设计规范》和《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》对结构构件的验算要求，根据《铁路桥涵设计基本规范》对设计荷载进行荷载组合，分为主力组合和主力加附加力组合两种。在设计荷载组合工况时，轨道桥仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的附加力相结合。

3.2 结构有限元模型

为了有效分析桥梁结构的受力状况，鹅公岩轨道悬索桥计算分析采用Midas/civil（2019 版）平面有限元分析软件。

4 鹅公岩轨道悬索桥传感器优化布置

目前，对于健康监测系统的传感器布置，往往是按照以往经验的常规布置，但是实际中对于每座具体桥梁的有限测点布设位置是不一样的。鹅公岩轨道悬索桥长期健康监测系统包含主梁位移、应力，索力监测。大桥静力分析采用Midas/civil 有限元分析软件，从而得到桥梁在运营期间的受力状况，根据受力特点来设计传感器的布置方案。

4.1 位移传感器的优化布置

大桥在运营期间主梁因荷载作用使梁体产生挠曲变形，较大的挠曲变形量会对桥梁的正常使用性造成较大的影响。所以，为了确保桥梁在各种荷载作用下的正常使用，对桥梁各控制截面的位移变形进行实时监测是必要的。本文采用Midas/civil 有限元软件建立鹅公岩轨道悬索桥模型，通过模型分析得出在各种典型荷载组合作用下的主梁竖向位移图，如图1。

图1 各组合荷载下主梁竖向位移沿纵桥向分布图

在各种荷载组合情况，桥梁存在纵向位移、竖向位移和横向位移，其中主梁的竖向位移是这三种位移量中数量级较大的，当竖向位移量过大时，对轨道悬索桥在通车时的使用性能影响明显。因此，在桥梁健康监测位移的监控中，重点关注竖向位移的监测。从模型得出在各典型荷载组合作用下，产生主梁的竖向位移最大值的荷载组合为组合II，从组合II 可以看出存在7个极值点。大致位于桥纵向边跨L/2 和中跨L/4、L/2 和3L/4 处。考虑Midas 计算结果和传统经验，得到鹅公岩轨道专用桥主梁竖向挠度监测截面选择为：A、主桥中跨：L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4 及7L/8；B、主桥边跨：L/4、L/2 及3L/4。

4.2 应力传感器的优化布置

监测应力的目的在于通过对结构的控制部位和重点部位内力的监测，研究结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷下的响应，为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。

图2 各组合荷载下主梁上缘、下缘应力沿纵桥向分布图

由图2 看出，桥梁始终在受压状态，主梁应力最大的荷载组合为组合II，但并未超出钢梁的容许值。应力监测点应布置在应力最大值截面处（100m，910m）处，即大致边跨L/2 处（105m、915m）应布置应力传感器。主桥钢箱梁为全焊结构，焊缝处受力情况较为复杂，且均在受压状态，因此根据传统经验把主梁应力监测截面选择为：A、主桥中跨：根部、L/4、L/2 及3L/4；B、主桥边跨：根部、L/2 及结合段。

4.3 索力传感器的优化布置

吊杆是悬索桥的重要组成部分，必须具备抗疲劳性能、耐久性和良好的抗腐蚀性，吊杆拉力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化。通过对索力的监测，不仅能为从总体上评估大桥的安全性和耐久性提供依据，同时也能检测钢索的锚固系统和防护系统是否完好、钢索是否锈蚀等。鹅公岩轨道专用桥吊索索力监测拟采用锚索计，吊索索力在各种典型荷载组合下的对比如下图3。两边吊索情况一样，所以只列出了1-61 号单元。

图3 各组合荷载下索力沿纵桥向分布图

从图3 中可以看出对于吊索的拉力，在组合II 时最大。在各荷载组合下第一根吊索（单元号1）的拉力最大，以桥的跨中划分，左半跨桥在单元5，8，11，18，21 处存在吊杆拉力的极值点，这些索力变化的转折点对吊索索力影响较大，应布置索力传感器。最后确定鹅公岩轨道悬索桥的索力测点布置，全桥共布置16 个索力测点，具体方案如下图4：

图4 索力传感器测点布置图

5 结论

本文根据鹅公岩轨道悬索桥的静力监测内容，采用Midas/civil 软件建立鹅公岩轨道悬索桥的有限元模型，从模型得出在各种荷载组合作用下竖向位移、应力和索力的变化趋势，得出在各荷载作用下各参数的最值或极值测点，综合考虑各构件在桥梁结构安全中的重要性和监测项目的经济性，确定出鹅公岩轨道悬索桥竖向位移、应力和索力测点传感器的优化方案。