实桥监测方案

1/30实桥监测方案2.1项目依托工程2.1.1工程概况重庆马桑溪长江大桥西接成渝高速公路，东至渝黔高速公路，是国道主干线重庆----湛江公路上桥至界石段的一座横跨长江的特大桥。是重庆市内环线上的重要枢纽之一。桥梁主跨采用预应力钢筋混凝土分离式三角箱形断面，主桥采用双塔双索面飘浮体系斜拉桥。桥跨布置为180m+360m+180m+44m+8×40m，主跨360m。实桥和总体布置如图2.1、图2.2。图2.1马桑溪大桥Fig.2.1MaSangxiBridge180M360M180M图2.2马桑溪大桥总体布置图Fig.2.2GenerallayoutofMaSangxiBridge高家花园嘉陵江大桥是渝长高速路上的一座特大型公路桥梁。包括主桥、引桥两部分，主桥为150m+240m+150m预应力混凝土连续刚构桥，引桥为8孔50m预应力混凝土简支T型梁桥。设计荷载为：汽车—超20级，挂车—120级，人群3.5KN/m2。实桥为双向分离的两座独立桥梁，桥面净空：3m（人行道）+11.5m（车行道）+1.5m（分隔带）+11.5m（车行道）+3m（人行道），实桥和总体布置图如图2.3、图2.4所示。图2.3高家花园大桥Fig.2.3GaojiaGardenBridge3/30150150240图2.4高家花园大桥总体布置图Fig.2.4GenerallayoutofGaojiaGardenBridge向家坡立交工程是国道主干线重庆至湛江公路，重庆童家院子至雷神店段的一部分，里程区段K13+000~K13+350，为重庆市南岸区的一项重要交通枢纽工程。立交工程由四条匝道组成，匝道Ⅰ为路堤，匝道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为多联的高架弯、坡连续梁桥，各联跨径布置以(17+n×24+17)m为主要形式。根据各匝道的跨径特征、平曲线半径、桥墩高度等因素，最终选定匝道Ⅳ中接异形桥的一联（ⅣZ6#墩～YX6#墩之间）作为远程监测的对象。该联桥墩高、弯道大、坡度陡，与其关联的桥墩高度在38～44米之间，且墩底存在滑坡的隐患。实桥和总体布置如图2.5、图2.6所示。图2.5向家坡立交桥Fig.2.5Xiangjiapooverpass图2.6向家坡立交匝道Ⅳ总体示意图Fig.2.6GeneralarrangementofXiangjiapooverpass’srampⅣ2.1.2结构及受力特点分析重庆地处长江、嘉陵江的汇合处，主城为两江环抱的丘陵山区、沟壑纵横，因此桥梁在重庆城市交通中扮演着十分重要的角色。据有关资料表明，截至2003年底，重庆建成公路桥梁4400多座，其中长江上已建成的特大桥11座、在建的特大桥9座，嘉陵江上已建和在建的特大公路桥12座。由于特殊的地形地貌，加上城市的发展，重庆已经成为了名副其实的中国桥都。在重庆现有的众多桥梁中，桥梁种类繁多。有针对性地从中选择具有典型性、代表性的几种桥型，对它们进行研究并对其进行工程示范，其成果具有普遍意义并具有很强的推广性。而大跨度连续刚构梁桥，大跨度钢筋预应力混泥土斜拉桥，高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥，是最具代表性的三类典型桥梁。连续刚构桥保持了T形刚构和连续梁的优点，适合于高墩、大跨径的场合。在设计大跨径预应力混凝土桥梁时，是国内一种具有相当代表性的桥型。重庆高家花园嘉陵江大桥则是这样的一种典型桥梁。这类桥梁跨度大、且相对与索桥而言刚度较大，因此主跨是决定全桥安全的关键，其变形与受力则是监测的重点。由于钢筋混泥土斜拉桥具有跨度大、成本低、不影响航行等优点，已经成为我国大跨度桥梁中的一种重要桥型。特别是在万里长江上的数十座特大桥中，钢筋预应力混泥土斜拉桥占据了相当的比例。因此对钢筋预应力混泥土斜拉桥的安全性进行监测具有重要代表性。重庆马桑溪长江大桥则是典型的钢筋预应力混泥土斜拉桥，这类桥梁的特点是主跨跨度大、刚度低，主塔的塔身高，主梁、主塔、斜拉索构成了一个完整的受力体系。因此，主梁、主塔、斜拉索是决定全桥安全的关键，是监测的重点。在沟壑纵横、地势起伏的山区公路中，高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥是8#14#13#12#11#10#9#5/30适应山区特殊地理条件的一种常见桥型。重庆向家坡立交桥则是典型的高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥。高墩桥的桥墩稳定性本身就是一个需要监测的关键参数。而对于长陡坡、弯桥面的高墩桥，当行驶于桥面的车辆在弯道上转弯时将对桥面产生离心力，且车辆在桥面的陡坡下滑时的制动、将对桥面产生摩擦力。长陡坡、弯桥面连续梁桥的这两个荷载作用于桥墩的墩顶时，共同对桥墩的墩顶产生横向作用力，将使高耸的桥墩产生更加剧烈的墩顶位移，进一步影响桥墩的稳定性。此外山区公路大多地势陡峭，在役许多桥墩存在滑坡威胁，这又增加了桥墩的不稳定性。因此对于高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥而言，桥墩的稳定性问题更加突出。因此高墩桥的桥墩位移是监测重点。具体结合三座桥梁各自的特点要求，在有限元结构计算分析的基础上，确定三座大桥各自的监测方案如下。2.2马桑溪大桥监测方案表2.1马桑溪大桥监测参数及监测要求汇总表Table2.1MonitoringparametersandrequirementsummaryofMasangxiBridge要求参数数量分辨力精度测量范围主梁应变361（με）5（με）-400~+350（750με）主塔应变81（με）5（με）-400~+350（750με）主梁挠度1810（mm）2（mm）18（mm）(2%)3（mm）(1%)-300~+600（900mm）-100~+200（300mm）主塔位移22（mm）6（mm）(1%)-300~+300（600mm加速度40.1（Hz）0.2（Hz）0.3~5（Hz）温度351（℃）2（℃）-10~+70（80℃）湿度42%RH5%RH10~95%RH合计107表2.1为马桑溪长江大桥传感器监测参数及监测要求统计汇总表。马桑溪长江大桥是一座横跨长江的特大型斜拉桥，其中跨长度为360米、边跨长度为180米，跨中极限变形量达到900毫米。且伴有由主梁扭曲产生的横向位移，即主梁变形体现为垂向挠度与横向位移的组合变形。因现有的手段无法满足主梁挠度的现场实时测量要求，而作为一座已成桥，其应变监测的传感方式不同于施工中埋入传感器的其它桥梁。针对这些特点，采用以下监测方案。2.2.1主梁应变监测子系统在桥梁结构有限元计算分析的基础上，确定设置马桑溪大桥主梁应变监测子系统，用于获取主梁关键截面、关键测点应变。要求在-400~+350微应变范围内，达到1微应变的分辨力、5微应变的测量精度。由于监测的长期稳定性是最为重要的指标，目前常规的应变测量方法难以达到此要求，因此采用本项目开发的表面安装式光纤法珀应变传感器系统。马桑溪大桥主梁关键截面应变测点纵向布置如图2.7，横向布置见图2.8。图2.7马桑溪大桥监测参数及监测位置总体示意图Fig.2.7OverallmonitoringparametersandlocationsofMasangxiBridge16.586.351.186.356.581.18111图2.8马桑溪大桥监测截面内应变测点示意图Fig.2.8Cross-sectionalstrainpointsofMasangxiBridge传感器引导光纤接续盒光缆多路寻捡测量仪工控机监控室图2.9马桑溪大桥应变监测现场方案Fig2.9StrainsiteplanofMasangxibridge7/30如图2.7所示，选择主跨及边跨的9个断面，每个断面4个，总共安装36个表贴式光纤应变传感器，获取测点处表面的应变值。光纤应变传感器皆通过多芯光缆，将信号传输到北侧主塔下无人监控室的测量仪处，如图2.9所示。由于光纤应变测量仪只能测量一个传感器，要完成数十路传感器的检测，需要配备多路光纤巡检开关。而常规光通信用光纤开关价格昂贵，因此，为寻求降低成本的新途径，采用光纤传感器复用技术，将光纤应变测量仪的测量容量扩展一倍，以降低对光纤开关的要求，从而降低整个系统的成本。2.2.2主梁变形监测子系统主梁变形监测子系统用于主梁关键点位移、以及主梁线形监测。要求在+200~-100(即300毫米)范围内，达到2毫米的分辨力、3毫米（即1％）的测量精度；而在跨中测点，则要求在+600~-300（即900毫米）的范围内，达到10毫米的分辨力、18毫米（即2％）的测量精度。由于马桑溪大桥的变形监测具有变形范围宽（跨中点可达900毫米）、测量精度高、存在扭曲产生的横向变形及倾斜变形、测量距离远（最远点大于430米）、测量速率要求高（0.1秒完成18个测点的测量）等特点，因此马桑溪长江大桥这类特大型斜拉桥的变形监测极为困难，目前国内没有可以利用的现成方法，只能自行研制解决，采用本项目开发的自标定、自编码成像法多点动态挠度传感器系统。如图2.7所示，选择主跨及边跨的9个断面，每个断面上下游的各1个测点、总共18个测点进行监测。在这18个测点上，将全天候特种自校准图标，面向桥墩处安装固定；而在桥墩的对应点处、面向图标安装带有超长焦变焦镜头的特种图2.10马桑溪大桥变形监测子系统示意图Fig2.10DeformationmonitoringsubsystemofMasangxibridge高速数字摄像头；并采用特种图像传输线、将高速摄像头采集到的图像信息就近传输到工控机上，由工控机进行高速图像处理，并通过局域网的方式将两个桥墩上的工控机联网（图2.10）。马桑溪大桥的挠度监测使用了图像传感器，由于图像传感器的采集卡到传感器间的距离非常近，无法实现用一台计算机来控制整座桥梁的图像传感器，因此，马桑溪大桥有两个现场监测子系统。为使得负荷均衡，将马桑溪大桥分成南、北两座桥设计，两个子系统之间通过光缆局域网进行连接，如图2.11所示。图2.11马桑溪大桥现场监测总体框图Fig.2.11GeneralsiteframeworkofMasangxiBridge2.2.3主塔应变和变形监测子系统马桑溪大桥索塔测点布置包括塔顶位移和塔柱应变两个方面。利用结构的对9/30称性，塔柱结构应变测点布置于南塔塔柱根部的分肢上，每肢布设4个应变传感器，共有8个应变传感器，采用本项目开发的表贴式光纤法珀应变传感器系统。主塔的温度传感器也布设在相应位置处，如图2.12所示。图2.12主塔应变和温度测点布置图Fig.2.12Strainandtemperaturemeasuringpointsofpylon图2.13塔顶位移的二维监测Fig.2.132-Ddisplacementmonitoringoftower塔柱变形监测分南塔和北塔两个塔，每个塔的测点均位于塔柱顶部的中心位置。要求在600毫米的测量范围内，达到6毫米（1%）的测量精度、2毫米的测量分辨率，采用本项目开发的大量程高精度激光图像传感器二维位移监测系统。该方法是激光法与图像法的组合。激光器固定在塔顶上，从激光器发出的准直激光束照射在半透射接收屏上，摄像机置于接收屏下方。当塔顶发生位移时，照射在接收屏上的激光光斑也发生相应的位移，实现了塔顶位移的二维监测，如图2.13所示。2.2.4索力监测子系统马桑溪大桥索力测点以大桥主跨为中心，对称选取跨中最长的4根斜拉索为监测对象，南、北塔的上、下游位置各一根共4根。对于斜拉索的一阶振型，要测量拉索的基频，加速度传感器的最佳位置应接近拉索中部。但考虑到工程实施的具体难度，传感器的安装位置以施工能够安装到的最高位置为准。实际位置距桥面5米处，采用4只超低频加速度传感器，如图2.14所示。图2.14加速度传感器测点布置Fig.2.14Accelerationsensormeasuringpoints由于拉索的隔振保护措施和传感器安装位置较低等因素的限制，传感器感受的振幅非常小。因此要求加速度传感器具有极好的超低频响应能力和较宽的频带，以及很高的加速度灵敏度。同时还应有很小的安装质量，尽量减少对拉索振动的影响。加速度传感器的微弱信号难以直接远距离传送到桥墩处处理，因此需要专用信号调理器。为此，每只加速度传感器有一