基于健康监测的钢桁架桥低烈度地震响应研究

钱若霖，何启龙，苏佩

(1.陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西 咸阳 712000；2.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，江苏 南京 210061)

目标桥梁安装多种类型的传感器组成传感网络，可实时监测桥梁运营期特定位置的响应信号，并通过对采集的数据进行分类研究，可为传感器故障[1]、桥梁地震响应[2]、超活荷载通行[3]、台风[4]等特殊事件的结构响应分析提供参考资料。在工程实际中，与日常结构响应相比，桥梁的高烈度地震响应数量级非常明显，可依靠多种类型传感器有效地识别；但对于低烈度[5]地震响应，因其水平加速度峰值偏低，易被活荷载响应掩盖，无法有效地区分活荷载和低烈度地震响应。

目前，基于健康监测系统的地震响应分析，主要针对强震响应的监控与预警值分析，如珠江黄埔大桥[6]、Hakucho Suspension 桥[7]等，以及结构抗震安全性分析，如港珠澳大桥[8]、上海长江隧桥[9]等；在低烈度地震响应下，钢桁架桥虽具有良好的抗震性能，但局部也会发生轻微变形甚至塑性损伤，若未及时监测到并维修养护，会对桥梁的整体承载能力造成影响，因此对钢桁架桥实行健康监测并针对其低烈度地震响应展开研究同样具有一定工程意义。

本文依托重庆市某铆合钢桁架双悬臂公路桥的桥梁健康监测系统，对2019年6月17—18日宜宾地震对应的桥梁结构响应进行分析，提取出可有效识别低烈度地震响应的传感器类型及其数据特征。

1 桥梁概况

依托桥梁位于重庆市，为铆合钢桁架双悬臂公路桥，与地震震源直线距离约210 km。该桥于1958年开工建设，1966年1月建成通车，2019年完成桥梁健康监测系统架设与试运营。桥梁结构如图1所示，正桥跨径组合为68 m+80 m+88 m+80 m+68 m，正桥第1、3、5 孔为挂梁，长48 m；第2、4 孔为钢梁T构，长120 m。其中两端悬臂长度为20 m。挂梁与T梁间采用铰轴连接，挂梁为平行弦三角形体系，桁高6.2 m，节间长度4 m。T梁在桥墩支座处设有加劲弦杆，支座至下弦杆高度为9 m。

图1 桥梁总体布置图

2 健康监测系统概况

该桥健康监测系统于2018年施工，2019年按计划完成传感器铺设和系统调试，并顺利完成试运营分析。该系统由自动化监测、数据存储与管理、安全预警与状态评估、用户界面等四个子系统构成，可实时获取桥址环境荷载源、结构响应、航道等信息,见表1，并用于实时监测桥梁的结构状态，在桥梁结构出现异常状况的初级阶段发出预警，辅助管养人员实现主动预防式管养，避免结构进一步劣化，降低桥梁灾害性事故发生的概率。

表1 健康监测项目及测点位置信息表

本文依托已建成的健康监测系统，对铆合钢桁架双悬臂公路桥的低烈度地震响应进行研究，文中采用的部分传感器位置示意如图2和图3所示，传感器采样频率及编号形式见表 2(注：XX表示截面，YY表示该截面的传感器序号)。

图2 部分测点布置立面示意图

图3 部分测点布置横截面示意图

表2 部分测点传感器参数表

3 地震响应情况

根据中国地震台网公布资料，2019年6月17日晚四川省宜宾市发生多次5.0级以上地震，直线距离约210公里的重庆市某铆合钢桁架双悬臂公路桥有明显震感，空间距离如图4所示，地震传播方向与桥梁走向大约相交85°。

图4 震源与依托桥梁的空间距离示意图

依托桥梁17—18日(2019年6月，下同)的桥墩墩顶地震仪在水平方向均存在加速度值突变，以1#墩(左次边墩，见图 3)为例，其两天时程如图5所示：17日22∶33左右，X方向(桥梁纵向)和Y方向(桥梁横向)同时出现极大值，分别为7.6 mg和4.6 mg，且远大于活荷载响应峰值；结合地震台统计，判定17日22∶33(边框标注)的异常值为地震响应。结合极大值出现时间，地震抵达桥梁时间如表3所示(表3中序号在下文表示地震抵达次序)。

图5 17—18日左边跨墩顶加速度水平时程图

表3 17—18日宜宾市地震信息表(5.0级以上)

由上述图表可知：该桥在宜宾5.0级以上的地震响应中，最明显的地震响应为地震①；X方向最大峰值7.6 mg，为低烈度地震响应,由地震①引起，其他地震响为2.8 mg、1.9 mg，低于活荷载响应X方向峰值众数4.0mg，无法区分；Y方向最大峰值4.6 mg,亦由地震①引起，其他地震响应峰值为1.0 mg、1.0 mg，低于活荷载响应Y方向峰值众数1.1 mg,区分困难；即依靠桥墩顶加速度传感器，可有效监测类似宜宾6.0级以上的地震响应。

以地震①为例对桥墩水平加速度响应峰值分析，如表4所示，最大水平加速度值为7.6 mg,低于烈度6度(15 mg)要求，为低烈度地震响应；其中活荷载响应峰值为扣除地震响应的17—18日最大峰值，X表示桥梁纵向，Y表示桥梁横向。

根据该桥设计：地震动参数选取为“中、大震分别取50年超越概率10%和50年超越概率3%的概率水准下的水平向的基岩峰值加速度：136.5 mg和233.3 mg”。参照表4，记录的水平加速度峰值(小于10 mg)，可知本次地震对大桥结构安全的影响较小。

表4 地震加速度峰值和活荷载加速度峰值对比(地震①)

仔细比较和分析该桥结构在地震前后10 min的各类响应数据发现：健康监测系统已经捕捉到了地震作用下的结构响应，由于烈度小(低于6.0度)，未发现数据量级异常情况，表明宜宾地震响应对该桥结构未造成大的影响，仍处于安全受控状态。为了和活荷载效应区分，该桥当地震动X、Y方向监测到的最大峰值超过活荷载峰值的众数4倍，可用于判断该桥梁承受了地震冲击。

4 结构地震响应分析

4.1 主梁加速度监测数据特征分析

该桥钢桁纵梁在固定铰及跨中处安装了竖向加速度传感器,采样频率设为200 Hz。当钢桁架梁桥受到低烈度地震影响时，选取地震①前后10 min进行时程分析(时间区间22∶55—23∶05)，部分加速度传感器地震响应峰值和活荷载响应峰值对比如表5所示，左次边跨(JSD-05-01)和中跨跨中(JSD-07-01)的10 min加速度时程如图6所示，其中方框表示地震①抵达时该桥的地震响应。结合地震①的竖向加速度峰值分析：从变化规律的角度分析，桥梁结构左右对称部分的加速度峰值增大比率相反，但绝对值大致相同；从数值变化的角度分析，宜宾6.0级以上地震的结构响应与活荷载响应的峰值差异不显著，仅依靠竖向加速度传感器进行区分，易与活荷载响应混淆，单独应用于低烈度地震响应判断困难。

表5 10 min主梁部分竖向加速度传感器峰值对比

图6 10 min 主梁竖向加速度时程图

4.2 伸缩缝位移监测数据特征分析

该桥位移传感器为磁致位移计，位于主桥两侧的伸缩缝，17—18日主桥右侧的位移传感器(WY-13-02)时程如图7所示(图中框选为地震①的位移变化)。

图7 17—18日伸缩缝水平位移时程图

从两天时程图中，地震①的伸缩缝宽度突变情况进行分析，伸缩缝在低烈度地震下的影响不大。提取该时段内10 min时程图，见图8：地震①抵达该桥后，引起伸缩缝收缩，并持续稳定一段时间；在地震荷载的作用下，该桥一侧伸缩缝缩小0.2 mm，单次活荷载引起的最大伸缩缝变形为0.32 mm，因此伸缩缝位移监测无法用于分辨低烈度地震与活荷载的影响。

图8 2 min 伸缩缝水平位移时程图(地震①)

4.3 桥墩倾角监测数据特征分析

该桥桥墩倾角监测采用倾角仪，布设在桥墩的墩顶中心线处，17—18 日左边墩倾角传感器(QJY-01-01)时程如图9所示。

图9 17—18日左边墩倾角传感器时程图

X方向(横桥向)的桥墩刚度较大，单次活荷载响应不明显，但图中倾角峰值均对应宜宾三次5.0以上地震，三次峰值分别为8.2 ‰rad、0.03‰rad、1.9‰rad；Y方向(纵桥向)地震①的倾角峰值为4.0‰rad，单次活荷载响应最大峰值为3.8‰rad，差异不显著；即从峰值角度分析，横桥向桥墩倾角可有效用于识别地震特殊事件；纵桥向受到活荷载效应干扰严重，不易识别。

4.4 主梁线形监测数据特征分析

该桥主梁线形监测采用压差位移计，布设在固定铰和跨中处，17—18 日左边跨跨中挠度传感器(ND-05-01)时程(去除趋势项，即不考虑温度影响)如图10所示：图中两个峰值60.9 mm和22.1 mm分别对应地震①、②的响应，与地震②相似震级的地震③竖向挠度传感器无法识别，故针对宜宾地震，即竖向位移监测可有效区别类似宜宾6.0级以上地震响应；对于5.0 ～ 6.0 级地震识别效果并不理想，需结合其他传感器数据综合判断。

图10 17—18日左边跨跨中挠度传感器时程图(去除趋势项)

对于宜宾地震，传感器地震效应峰值与日常(含活荷载响应)变化值如表6所示。结合地震①、②与活荷载响应峰值的倍率为1.9～11.0，当所有挠度传感器响应变化值超过活荷载响应峰值的2倍时，可结合其他传感器进行综合判断；当所有挠度传感器响应变化值超过活荷载响应峰值的6倍时，仅通过竖向挠度传感器就可证明桥梁结构承受了地震冲击。

表6 10 min主梁挠度传感器峰值对比

4.5 钢桁梁应变监测数据特征分析

该桥在正交异性桥面板位置安装了16个光纤光栅应变传感器，根据2天的应变时程图分析，该传感器类型无法用于识别低烈度地震响应。以地震①和左边跨跨中应变(DYB-12-01)为例，其2 min 钢结构应变时程见图11，低烈度下的地震响应被活荷载掩盖，无法提取钢桁梁双悬臂桥主桁梁在低烈度地震下的应变特征。

图11 2 min 钢结构应变时程图(地震①)

5 结论

重庆市某铆合钢桁架双悬臂公路桥健康监测系统在6.17宜宾地震期间，及时捕捉到这一信息，并记录了此时结构的低烈度地震响应。

(1)由于地震能量的衰减，经健康监测系统监测，各项参数在震后以较快速度回到正常变化趋势，本次地震对该桥结构安全和正常使用不构成威胁，可以正常服役；

(2)低烈度地震响应中，部分桥墩的墩顶加速度信号、主梁竖向加速度信号、变化幅度较大的倾角以及主梁应变易受到活荷载影响，无法有效识别低烈度响应；

(3)为识别低烈度地震响应，并与活荷载响应区分，传感器信号可选用桥墩地震船撞监测、倾角(横桥向)、主梁挠度等正常峰值上限与活荷载响应极值来识别低烈度地震效应影响，并可多类型传感器数据对比进一步确认；

(4)地震船撞可根据X、Y方向监测到的最大峰值超过活荷载响应峰值的4倍来判断桥梁承受了地震冲击，根据跨中竖向挠度监测最大峰值超过活荷载响应峰值的6倍来确认。