三汊磯大橋運營期監(jiān)測方案

三汊磯大橋運營期健康監(jiān)測實施方案 目 錄1 工程概況21.1 橋梁概況21.2 目前存在問題31.3 系統(tǒng)定位42 三汊磯大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)初步方案52.1 系統(tǒng)功能52.2 系統(tǒng)監(jiān)測項目52.3系統(tǒng)技術方案62.3.3.2預警指標體系的建立13- 15 -三汊磯大橋健康監(jiān)測初步方案1 工程概況1.1 橋梁概況長沙市三汊磯湘江大橋主橋設計為自錨式懸索橋，全長732米，分跨為70+132+328+132+70米。主塔為鋼筋混凝土箱形結構，由塔柱和上下兩道橫梁組成，塔柱采用C50變截面鋼筋混凝土結構，橫梁為預應力鋼筋混凝土結構。全橋共設2根主纜，主纜由37束預制索股構成單纜，預制索股由127絲5.1mm鍍鋅高強鋼絲組成；主纜中心距25m，矢跨比中跨1/5，邊跨1/10.6；主纜兩端采用冷鑄墩頭錨錨固于鋼箱梁，主纜與鋼箱梁連接采用焊接鋼板錨箱。本橋采用雙吊索，普通吊索236根，采用PWS平行鋼絲索股，普通吊索規(guī)格為5.185?？拷骼|錨固區(qū)短吊桿采用剛性吊桿，共8根。吊索與主纜連接方式為上下銷接式，吊索采用PWS平行鋼絲索股，外套PE防護層。對長度超過20m的吊索設置減振架，以減少吊索的風致振動。自錨式懸索橋加勁梁采用鋼箱梁，箱梁全寬35米，橋梁中心線處梁高3.6米。橋面設有雙向2.0%的橫坡，1.5%的縱坡。 橋面全寬35m1m（風嘴）3.0m（人行道含欄桿寬）2.0m（吊桿錨固區(qū)）23m（雙向6車道）+2.0m（吊桿錨固區(qū)）3.0m（人行道含欄桿寬）1m（風嘴）。圖1.1 三汊磯大橋主橋橋型布置圖圖1.2 三汊磯大橋主橋鋼加勁梁截面示意圖主橋線路設計為城市級主干道，設計行車速度為60km/h。行車道上鋪7.5cm厚的環(huán)氧瀝青路面層，人行道上鋪設3.5cm厚的瀝青混凝土。設計荷載：汽車超20級，掛車120。人群荷載：4KN/，按規(guī)范進行折減。溫度荷載：設計基準溫度20，體系升溫20，降溫20?；撅L速：一百年重現(xiàn)期10米高度處10min年平均最大風速25.9m/s?？拐鹪O計：按地震基本烈度7度設防。三汊磯大橋主橋于2006年9月1號正式通車。圖1-1湘江三汊磯自錨式懸索橋雄姿1.2 目前存在問題在橋梁通車至今，養(yǎng)護檢查中對對三汊磯大橋橋下、橋上、主塔根部、懸索系統(tǒng)、支座、減振器及橋面系等進行實地檢查，該橋存在如下病害和缺陷：懸索系統(tǒng)中吊桿下錨頭有銹水滲出；東西兩主塔根部砼局部開裂；東西兩主塔支座處、大橋縱向減振設施錨固板螺栓銹蝕、其中東塔下游側減振設施錨固板螺栓損壞3個；西塔下主梁橫向限位塊脫落；東岸頂推梁27#墩（頂推梁最東的橋墩）蓋梁開裂明顯；主梁下檢修滑車銹蝕；主塔檢修通道支架鐵件銹蝕；東引橋蓋梁上泥沙堆積，共有5處；東引橋落水管破損，初步統(tǒng)計有10套；東橋臺處梁體頂擠橋臺背墻，致橋臺局部頂壞；伸縮縫膠帶破損嚴重：主車道共12條伸縮縫，有8條膠帶破損，有3條縫內泥砂淤積需沖洗；鋼箱梁4臺除濕機有兩臺故障停止運轉，另兩臺可運轉但抽風機皮帶斷裂無法除濕。1.3 系統(tǒng)定位本次擬建立的三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)核心思路為：緊密結合養(yǎng)護，以安全評價為核心，初步實現(xiàn)“數(shù)據(jù)對橋梁安全狀態(tài)實時監(jiān)測，實現(xiàn)結構狀態(tài)分級和紅線預警：根據(jù)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況分級，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的紅線預警分析，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)預警與人工檢查相結合對橋梁結構的安全運營提供技術支撐和保障。2 三汊磯大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)初步方案2.1 系統(tǒng)功能建立“三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)”，其核心思路為：緊密結合養(yǎng)護，以安全評價為核心，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)對橋梁安全狀態(tài)進行評估，實現(xiàn)結構狀態(tài)分級和紅線預警：根據(jù)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況分級，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的紅線預警分析， 三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)預期功能包括：（1）報告大橋工作環(huán)境變化；（2）報告大橋主要構件的應力、變形等響應情況狀況；（3）報告大橋主纜纜索受力狀況；（4）報告大橋主要構件是否有較大損傷或累積破壞；（5）實現(xiàn)異常狀態(tài)下（包括荷載、工作環(huán)境和結構響應）的預警；2.2 系統(tǒng)監(jiān)測項目三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測項目包括：1、環(huán)境監(jiān)測：結構溫度荷載是結構的荷載源之一，也是三汊磯大橋橋梁運營中維護管理的一個重要依據(jù)，此外風速等環(huán)境參數(shù)也是對大跨徑橋梁產生影響的因素之一，環(huán)境檢測主要對溫度（鋼箱梁內外及大氣溫度）、風速進行監(jiān)測；2、應力監(jiān)測：應力是構件安全性評價的基礎，對于自錨式懸索橋，鋼箱梁壓應力最最重要的監(jiān)測內容，本次應力（應變）監(jiān)測主要對鋼箱梁以及主塔關鍵截面應變進行監(jiān)測； 3、撓度監(jiān)測：對三汊磯大橋的幾何線形及其變化進行監(jiān)測，研究橋梁線形變化與環(huán)境變化(如溫度、車輛)的關系，為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及分析提供數(shù)據(jù)，本工程中安排了該監(jiān)測項目；4、塔偏監(jiān)測：大橋索塔的傾角及位移對主塔結果安全有重要影響，本系統(tǒng)擬對主塔塔偏進行監(jiān)測。5、纜索索力監(jiān)測：本系統(tǒng)擬采用預設壓力傳感器法（據(jù)悉監(jiān)控單位在錨固段預設了錨索計）對纜索索力進行監(jiān)控。（備注：若施工監(jiān)控預設元件已損壞，或不具備測試條件，則此項略去）2.3系統(tǒng)技術方案三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)主要將包括下列三個子系統(tǒng)，運作流程如下圖所示。 傳感器子系統(tǒng)(SS) 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)(DATS) 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)(DPCS)這三個子系統(tǒng)將運行于三個層次：第一層次是數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器子系統(tǒng)拾取的信號；第二層次是將采集到的信號轉換成數(shù)字信號并通過INTERNET輸送到數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；第三層次是由計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲；并根據(jù)系統(tǒng)的指令為其提供特定格式和內容的數(shù)據(jù)以及處理結果。圖3-1 三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖2.3.1 傳感器子系統(tǒng)2.3.1.1 結構環(huán)境監(jiān)測溫濕度監(jiān)測目的：大橋結構溫度變化是大跨度橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，是監(jiān)測重要內容。結構溫度監(jiān)測能了解橋址處環(huán)境溫度場的實時變化，以及大橋主要構件的溫度及溫度梯度情況，為分析結構的受力和變形提供依據(jù)，并用于結構狀態(tài)參數(shù)的相關分析。技術要求：連續(xù)監(jiān)測溫濕度，每10分鐘采樣一次，即采樣頻率0.00167Hz。溫度、空氣溫度濕度監(jiān)測應能滿足各類溫度測量的要求，具有良好的測量精度和耐久性。測點布置：計劃在鋼箱梁內外側共布置2個測點風荷載監(jiān)測目的：風荷載是大跨度橋梁的荷載源之一，采用風速風向儀實時監(jiān)測，及時了解橋址處環(huán)境風力、風向變化情況，為分析橋梁的工作環(huán)境、評價行車安全狀況、驗證橋梁風振理論，以及研究極限風環(huán)境下的大橋工作狀況提供了依據(jù)。技術要求：滿足橋址處極限風速測量、采用風速風向儀連續(xù)監(jiān)測，對風速風向信號的直接采樣頻率1Hz。測點布置：計劃在主橋橋面中跨跨中位置布置1臺。2.3.1.2 應力監(jiān)測應力監(jiān)測目的：了解在交通荷載、風荷載、溫度荷載及地震荷載作用下大橋各重要構件的應力、應變情況，為評價結構工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。技術要求：采用振弦式表貼應變傳感器，分辨率達到1me，量程滿足1500me，。測點布置：根據(jù)三汊磯大橋的結構特點，在三汊磯大橋的主梁跨中截面以及邊支座錨固區(qū)域設置溫度和應力布置截面，主梁11個截面，索塔4個截面。圖3-2 主橋鋼加勁梁應變測試截面布置位置示意圖 圖3-3 主橋鋼加勁梁應變測試截面布片圖（以B截面為例）圖3-4 主塔應變監(jiān)測截面布片圖2.3.1.3 撓度監(jiān)測監(jiān)測目的：定期監(jiān)測大橋的幾何線形及其變化，記錄各測點的絕對位移量，對每年大橋橫向、縱向及豎向撓度變化值進行統(tǒng)計，繪出趨勢變化曲線。為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及養(yǎng)護工作與結構健康評估提供資料。同時對主梁撓度設定較明確的分級警戒線，以便在出現(xiàn)異常情況時及時給出判定和處理。技術要求：滿足實時動態(tài)測量要求，具有良好的測量精度和較高的數(shù)據(jù)更新頻率，分辨率達到0.1%，量程達到2000mm。測點布置：對三汊磯大橋撓度監(jiān)測使用連通管光電液位傳感器進行人工定期監(jiān)測，擬在橋梁兩邊跨跨中，主跨（L/4、L/2、3L/4）部位上下游側各布置一個；2.3.1.4 纜索索力監(jiān)測監(jiān)測目的：纜索是懸索橋主要承重構件之一，纜索索力對懸索橋結構安全起到重要作用，本橋主纜各索股計算成橋內力約為900KN, 考慮采用預設壓力傳感器法進行監(jiān)控測試。技術要求：具有良好的測量精度和低頻測量性能，滿足各種環(huán)境和量程的要求。采樣頻率為50Hz，精度達到0.1%，量程達到2000KN。測點布置：對上、下游主纜的1號基準索股在東岸錨跨設置120噸的錨索計測量其索力。（備注：若施工監(jiān)控預設元件已損壞，或不具備測試條件，則此項略去）2.3.1.5 塔偏監(jiān)測監(jiān)測目的：檢測大橋索塔的傾角及位移尤為重要，系統(tǒng)采用傾角儀記錄各測點測值，對每年索塔變位值進行統(tǒng)計，繪出趨勢變化曲線。技術要求：采取傾角儀連續(xù)檢測索塔變位狀態(tài)，滿足各測點的量程要求及環(huán)境要求，具有良好的測量精度，量程達到30o，靈敏度達到0.005%，精度達到9采樣頻率為1Hz。測點布置：計劃在兩主塔上緣及塔梁結合處各布置兩個測點。2.3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負責傳感器信號的采集、調理、預處理、顯示、傳輸和保存等。對三汊磯大橋橋梁運營期結構安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的選型原則是：1) 數(shù)據(jù)采集單元采用國際上先進的成熟產品，確保系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、耐久性和高精度；2) 選用市場上通用性好，易于采購的產品，確保系統(tǒng)的可維護性和可更換性；3) 選用性能價格比高的產品，確保系統(tǒng)在最低成本下，實現(xiàn)最良好的運作。2.3.2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的技術要求為了保證數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠及耐久性，其技術要求：1) 系統(tǒng)應該既能在無人職守條件下連續(xù)采樣；2) 系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)采集操作必須在同一時標下工作，時間基準差異小于1微秒；3) 系統(tǒng)具有實時自診斷功能；系統(tǒng)應能自動將故障信息上傳至數(shù)據(jù)管理與控制服務器，并以足夠醒目或引起操作人員注意的方式顯示、報警；4) 當系統(tǒng)的一個或多個部分暫時斷電時，系統(tǒng)的各個部分應無需人為干涉即可自動重新啟動、同步校時和繼續(xù)正確運行，并保留斷點信息。局部停止工作，其他設備應保持其不受影響部分正常工作；2.3.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元（工作站）和INTERNET，以及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件組成。1) 數(shù)據(jù)采集單元：考慮到傳感器信號的傳輸距離不能太遠，本系統(tǒng)在大橋箱梁梁內設立1個數(shù)據(jù)采集單元(DAU, data acquisition unit)； 2) 數(shù)據(jù)傳輸網絡：將和中國電信或中國移動聯(lián)系，建立INTERNET網絡。2.3.3 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)2.3.3.1 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)硬件 數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、處理及顯示硬件由1臺計算機工作站負責（位于監(jiān)控中心內，通過INTERNET相連）。計算機工作站主要用于健康監(jiān)測系統(tǒng)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析，并對結構安全進行預警。系統(tǒng)軟件界面圖2.3.3.2預警指標體系的建立預警模塊的信息來源包括基于在線自動評估得到的初步評估結論（評估分級指標）和基于運營自動參數(shù)監(jiān)測得到的控制性結構狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)信息。預警體系從實現(xiàn)方法上可以劃分為無模型預警體系和有模型預警體系。（1）無模型預警體系的建立a) 這是以往監(jiān)測系統(tǒng)主要進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法b) 建立在監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計及簡單數(shù)據(jù)分析的基礎上c) 對橋梁在恒載其它荷載情況下的結構響應實時監(jiān)測數(shù)據(jù)直接進行處理d) 通過規(guī)范、歷史記錄、交通流量、環(huán)境參數(shù)等建立預警界限e) 根據(jù)情況設定不同的預警標準，對不同的預警標準采取不同的處理f) 在綜合評估時考慮預警