海岸独塔自锚式悬索桥SHM系统设计研究★

许科华，姚 腾，李 柔，缪长青

(1.江苏法尔胜材料分析测试有限公司，江苏 江阴 214400； 2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189)

自锚式悬索桥无需修建锚碇，主缆直接锚固在加劲梁上，对地质条件要求低、受建设地形因素影响小。近年来，随着我国城镇化建设的快速发展，经济实用性强、造型轻巧美观的自锚式悬索桥在市政桥梁工程建设中受到青睐，成为城市的标志性建筑物[1-3]。

自锚式悬索桥由加劲梁、主塔、主缆、吊索、索鞍锚固等构件组成，共同承担结构自重和车辆荷载、风荷载等外荷载作用。自锚式悬索桥主缆锚固于加劲梁端部，在外荷载以及主缆水平分力作用下，加劲梁要承受弯矩扭矩作用，同时还要承受较大的轴压作用，结构受力复杂。

目前，有关自锚式悬索桥理论研究还不够深入，不少在役自锚式悬索桥也存在严重病害，如主缆防护破损开裂导致主缆索体钢丝锈蚀、锚杆锁紧螺栓松动导致吊杆松弛、支座固定螺栓松动锈蚀导致偏移、散索鞍螺母松动导致锚碇内长期空气湿度较大等等，这些病害严重影响大桥的安全运营，甚至导致事故。建立大桥结构健康监测系统，及时发现桥梁早期损伤与病害，进行大桥运营状态预警与评估，为大桥运营维护提供依据，可以避免更大经济损失和重大事故的发生。因此，开展自锚式悬索桥健康监测等方面研究是非常必要的[4-6]。

本文以烟台夹河大桥工程为背景，基于大桥结构静动力分析、结构易损性分析、海岸桥梁运营环境分析，进行了海岸独塔自锚式悬索桥健康监测系统传感器布置与系统设计，并对于数据处理方法、预警方法进行探讨。

1 工程概况

夹河大桥位于烟台市滨海西路夹河入海口，是烟台海岸线的标志性建筑(见图1)。桥梁全长1 398.40 m，其中主桥为独塔双主跨钢混组合梁自锚式悬索桥，主跨跨径为(115+115)m(见图2)。大桥宽29.8 m，吊索标准索距8 m。主塔为门式框架混凝土结构，高75.0 m。主桥采用双跨连续钢混组合梁体系，充分发挥钢材与混凝土的材料特性。主缆为平面布置，在主缆水平分力作用下，主梁可以利用混凝土桥面板受压性能、避免面板开裂。主塔处设活动支座和横向抗风支座，并安装了4个纵向阻尼器。加劲梁采用钢-混凝土组合梁结构。主桥桥型总体布置如图3所示。

大桥设计等级为城市A级，结构保证基准期100年，基本风速为31.4 m/h，结构混凝土耐久性按Ⅲ类环境设计。

2 结构特性分析与易损性分析

2.1 结构静动力特性分析

海岸桥梁除了承受自身重量和运营车辆荷载作用外，还要承受台风、波浪荷载、温度的作用。夹河大桥处于入海口，运行车辆和海洋环境下风浪共同作用对大桥运营及行车安全构成威胁。

为了掌握运营状态下海岸独塔自锚式悬索桥的力学性能，采用大型有限元分析软件Midas建立全桥结构空间模型，如图4所示。其中，主缆和吊杆采用弹性悬索单元模拟，加劲梁、横梁、索塔、桥墩和桩基采用梁单元模拟。主塔、边墩桩基通过节点弹性连接以模拟桩-土间的相互作用。

根据夹河大桥交通车流测评数据和气候环境资料数据，进行了车辆荷载、温度、风荷载等荷载及其组合作用下大桥结构力学性能分析和动力特征分析。并分析了台风等极端气候时不同风速风向参数下大桥的振动响应。表1给出了大桥结构前10阶自振频率和振型特征说明。图5给出了前6阶振型图。

表1 结构动力特性分析结果

静动力分析表明：在车辆荷载和风荷载作用下，大桥主梁跨中竖向位移和主缆位移较大，影响运营的舒适性。活载作用对大桥主梁内力、主缆和吊索内力影响最大。由于夹河大桥是海岸悬索桥，车辆荷载、风荷载和环境腐蚀的耦合作用容易导致吊索腐蚀疲劳损伤。主梁跨中位移、缆索振动、吊索内力、主梁梁端位移在运营监测养护管理中需要重点关注。

2.2 易损性分析

根据静动力荷载作用下大桥结构特性分析结果，结合夹河大桥所处环境特点，可知夹河大桥运营过程中主要存在以下问题：

1)桥跨线型的变化、钢-混凝土组合梁的开裂、伸缩缝和排水系统的损坏等。由于跨度较大，海浪对于索塔冲刷作用、索塔的沉降、台风作用等都会引起桥跨结构线型的变化，导致结构受力不利，影响大桥安全运营。位移变化是评价桥梁行车安全性、整体刚度以及结构性能的重要指标，对其进行可靠的测试至关重要。

2)自锚式悬索桥的主缆和吊杆在反复作用的荷载下，容易发生疲劳破坏。同时大桥处于海岸，环境腐蚀性强，由此导致的主缆锈蚀、吊杆和锚具的锈蚀不容忽视。

3)沿海地区的侵蚀性环境、海水中氯离子对于钢筋混凝土结构耐久性影响极大。夹河大桥钢筋混凝土桥塔、钢-混凝土组合梁结构，在运营荷载作用下，不可避免的会产生裂缝。裂缝的出现会大大加快混凝土结构钢筋锈蚀，降低塔梁结构承载力。

3 结构健康监测系统设计

3.1 系统总体方案

夹河大桥结构健康监测系统由四个部分组成，分别为传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与控制子系统、结构预警与评估子系统。

这四个子系统的主要功能：传感器子系统各传感器在线收集大桥关键部位的信号；数据采集与传输子系统实时采集方式获取数据，并通过无线或传输光缆将数据传输到数据处理与管理系统，将采集到数字信号通过无线网络发射回控制中心；数据管理与控制子系统进行成数据处理、归档、显示及存储，根据结构预警与评估需求进行结构响应特征参数提取和处理；结构预警与评估系统根据相关评估预警方法进行分析、阈值判别，提供报警信息。

3.2 监测项目与布置

为了使监测系统传感器发挥最大作用，传感器主要布置在结构参数响应敏感处。如应力最大处、位移最大处、结构模态参数控制点及环境影响特征点等。同时考虑监测点的数据与结构状态评估的有效对应。

根据结构静动力响应和易损性分析，结合桥址区运营环境特点和结构受力特性与构造特点，考虑项目投资的经济性，考虑监测项目选择与测点布置，包括：风荷载、温度荷载、结构振动状况、主缆及吊索索力、主跨挠度、结构应力、结构位移和混凝土开裂，环境腐蚀参数等。

1)风速风向：主塔塔顶处1台。

2)环境温湿度：主塔横梁处桥下游侧一个空气温度湿度采集仪，共1个。

3)结构温度：分别在主梁跨中上下游顶板各布置2个，共布置4个结构温度传感器；在主塔内选取主梁、承台2个截面，每个截面各布置4个测点，共8个振弦式温度计。

4)GPS位移监测：在主跨跨中上下游各布置1个测点，主塔塔顶各布置1个测点，桥址附近布置1个GNSS基准点，共计6个测点。

5)伸缩缝位移：在主桥两端伸缩缝处上下游各布置1个直线位移传感器，共计4个直线位移传感器。

6)振动与索力：在左右跨中截面上下游布置4个测点，在主塔塔顶塔中各布置2个测点，共计8个双向加速度传感器；在上下游2号、4号吊索，主缆跨中各布置1个测点，共计12个加速度传感器。

7)结构疲劳监测：主梁跨中截面、塔梁连接处梁截面、锚固区梁截面的钢结构，各布设8个焊接式电阻应变计，共计5个截面40个焊接式电阻应变计。

8)混凝土应变监测：在主塔横梁处塔柱内选取2个截面，每个截面布设4个振弦式应变计；主梁跨中截面，每个截面在组合梁混凝土结构布置8个振弦式应变计，共计24个振弦式应变计。

健康监测系统共利用了8种类型的传感器，共有112个(套)传感器，见表2，图6。本文主要采用有线传输方法，避免长距离传输中信号受到电磁干扰，稳定性好，保持最远传输距离在150 m内[7-10]。

表2 传感器数量统计表

4 监测系统数据处理与结构预警识别系统的建立

根据上述系统设计以及评估预警要求，对监测系统采集到各种数据进行特征参数提取、统计分析、趋势分析。在此基础上进行预警分析设置。

风荷载监测子系统控制警告参数建立：该桥处于海岸，风环境监测及数据分析是极其重要的工作。通过风荷载监测系统得到实测风场信息，参考相应地区的风场数据库信息，根据对桥面安全行车专题研究成果的考量，设计风速仪控制警告参数。将其作为高级别预警指标，对通过桥梁车辆类型进行分级限行。

车辆荷载监测子系统控制警告参数建立：根据车辆荷载下的结构振动响应状况设定车流量预警参数，用于控制汽车流量，这里和结构振动状态需要进行区分。将其作为高级别预警指标，对通车流量进行限制。

主梁挠度和裂缝监测子系统控制警告参数建立：根据结构设计结果参考规范要求确定。将以上两项作为高级别预警指标，对桥梁是否需要禁行修缮做出判断。

主缆及吊索索力监测系统控制警告参数建立：根据结构设计结果参考规范要求确定，将以上两项作为高级别预警指标，对桥梁是否需要禁行修缮做出判断。

其余效应监测系统对相应的效应值，包括：加速度、位移和应力等，按照设计规范和有限元模拟情况对各个初始效应值警告值进行调整(例如：针对实际跨中水平位移为位移控制警告参数等)。这些作为低级别预警指标，对桥梁检修决策起参考作用。

5 结语

以烟台夹河大桥工程为背景，进行了大桥结构静动力分析、易损性分析、海岸桥梁运营环境分析，然后进行了海岸独塔自锚式悬索桥健康监测系统传感器布置与系统设计，根据监测系统数据源，提出了数据处理方法、预警方法。