乐清湾2号桥安全监测系统设备布点设计

史森枭 要世乾

(1.浙江乐清湾高速公路有限公司，浙江 台州 317600； 2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

1 概述

结构安全监测系统作为智慧桥梁数据处理、存储和管理的重要载体，实时监测跨海大桥的运营自然环境、运载车辆以及结构静、动力响应关键参数[1]，为基础设施、运载工具、交通综合管理提供专业化、信息化、数字化的技术保障。同时有助于构建“车、路(桥)协同”关系，服务应急管理，确保安全交通，提升公路运营养护工作的数据化、信息化的科学技术水平。在大型及特大型桥梁工程中，结构安全监测系统已经得到了比较广泛的应用[2-4]，也正在逐渐体现出与人工检查不同的独特优势和价值。

桥梁环境和桥梁荷载是导致结构安全变异的外在因素；桥梁结构自身的性能退化是导致结构安全变异的内在因素[5]。桥梁结构响应信息和桥梁损伤(病害)信息是外因通过内因发生作用的直接结果，判别桥梁安全状态改变的信息都包含在这两类信息中，但它们是局部的、离散的或者隐含的；通过桥梁安全状态的评估才能从损伤和响应信息中抽取桥梁评估信息，才能综合判断结构安全状态的变异与否[6]。具体到乐清湾2号桥，其结构安全特征信息如图1所示。

2 监测点一般性设计

2.1 结构特点

乐清湾大桥及接线工程是甬台温高速公路复线的重要组成部分，乐清湾2号桥主桥为双塔整幅叠合梁斜拉桥，桥跨布置为(70+90+365+90+70) m=685 m，边中跨比0.438，上部结构为双塔整幅叠合梁斜拉桥，索塔采用钻石型塔身，基础为钻孔灌注桩；辅助墩与过渡墩基础均为钻孔灌注桩。其桥型布置图如图2所示。

2.2 测试内容设计

根据交通运输部发布的JT/T 1037—2016公路桥梁结构安全监测系统技术规程[7]，对于特大型斜拉桥结构一般需要考虑的监测内容应包括表1所示的内容。

测点位置应结合乐清湾2号桥的具体特点、风险特征和理论计算结果确定。由于风荷载、温湿度等监测内容测点位置的选择比较简单，因此下面重点介绍斜拉索索力、结构整体刚度、混凝土桥面板裂缝的测点设计。

表1 乐清湾2号桥监测内容

2.3 有限元模型

全桥总体静力分析采用RM Bridge V8i空间杆系程序，以理论竖曲线为基准进行结构离散，计算模型考虑斜拉索垂度、P-Δ效应及空间大位移效应等非线性因素。图3为乐清湾2号桥分析模型。

在过渡墩及辅助墩处对主梁进行竖向与横向约束，顺桥向不设置约束。在索塔处，对主梁进行竖向与横向约束，顺桥向设置限位阻尼器。索塔、过渡墩及辅助墩底部均按照固结模拟。

2.4 索力测点设计

作为斜拉桥核心受力构件，斜拉索长期处在较高应力状态，且所处沿海环境恶劣，其内部钢丝容易受到锈蚀。此外斜拉索在车辆、风、雨荷载作用下将产生振动，经常性的大幅振动会加速斜拉索保护层和平行钢丝的疲劳损伤。为确保桥梁结构的安全与交通运行的顺畅，应加强斜拉索的监测。通过模型的计算分析，结合以往工程经验，确定重点关注斜拉索，布置索力计。

分析斜拉索在桥梁结构自重及二期恒荷作用下的索力，计算结果如图4所示。

由分析结果可知，在恒载作用下，斜拉索M16的索力最大，为5 479 kN，S16索力与之接近，为5 475 kN。随索长的减小，索力逐渐减小。斜拉索S2索力最小，为2 096 kN，M2次之，为2 263 kN，最短索S1及M1的索力相较次短索S2及M2的索力有较大幅度增加。对最长索与最短索进行重点关注。

分析在运营状态标准荷载作用下，斜拉索最大索力及最小索力，如图5所示。根据斜拉索型号及强度，计算最大索力下斜拉索的安全系数，计算结果如图6所示。

根据计算结果可知，在标准荷载作用下，斜拉索S16的索力最大，为6 445 kN，M16索力与之接近，为6 402 kN。随索长减小，索力最大值与最小值逐渐减小。最短索S1索力最大值较S2增加29.3%，最小值增加51.5%。最短索M1索力最大值较M2增加27.1%，最小值增加37.4%。在最大索力下，所有斜拉索的安全系数均大于2.5，满足规范要求。

分析斜拉索在汽车荷载下的应力幅，车辆荷载考虑按八车道加载，横向折减系数程序自动考虑，纵向折减系数为0.974 2，冲击系数取0.05。计算得到斜拉索应力幅值，结果如图7所示。

由活载下斜拉索应力幅值结果可知，中间斜拉索S9～S2及M2～M7应力幅值较大，外侧斜拉索及最短斜拉索应力幅值偏小。选择应力幅值较大且具有代表性的斜拉索进行监测。

根据以上计算结果，选择最长索、最短索及具有代表性的斜拉索作为监测重点，同时考虑斜拉索规格，综合确定索力加速度计的布设位置，索力加速度计的布设如表2所示。

表2 索力加速度计布设位置及数量

2.5 桥梁空间变位测点设计

分析乐清湾2号桥主梁刚度，在汽车荷载作用下，主梁的变形曲线如图8所示。

由分析结果可知，在车辆荷载下，主跨跨中部位下挠最大，最大下挠259.7 mm，在边跨与次边跨，最大下挠同样出现在跨中，下挠量分别为32.2 mm与35.1 mm。最大上挠出现在边跨跨中，最大值为30.12 mm。

采用压力变送器对主梁变形进行监测。在过渡墩处安装压力变送器作为基准点，在边跨、次边跨及主跨跨中布设压力变送器，监测主梁在运营过程中的下挠。同时在主跨跨中对称安装压力变送器，测量主梁左右两幅不均匀下挠。压力变送器布设位置及数量见表3。

表3 压力变送器的布设位置及数量

2.6 混凝土箱梁应力

乐清湾2号桥主梁采用分离式双边箱流线形扁平钢箱叠合梁，混凝土桥面板在车辆荷载下可能会出现开裂，采用振弦式应变计对桥面板的裂缝情况进行监测，一方面可以对结构内力状态进行识别，作为结构状态分析的参考信息，另外一方面可作为运营期间桥面板安全性预警的重要信息。

在短期荷载作用下，桥面板的上下缘正应力包络图如图9所示。计算表明，混凝土桥面板上缘最小压应力为-0.7 MPa，下缘最小压应力为-0.29 MPa。

根据计算结果可以看出，短期荷载作用下桥面板应力满足规范要求。但在施工过程中由于吊装精度及养护不足等问题，导致桥面板出现裂纹。选择应力较大部位进行监测，同时根据裂缝实际出现位置，确定裂缝监测点位置，见表4。

表4 桥面板裂缝监测测点设计结果

2.7 测点设计结果

根据结构特点、风险分析及计算分析结果，并结合现场踏勘，最终确定的监测点设计结果如图10所示。

3 结语

乐清湾2号桥作为跨海特大桥结构，运营中面临的风险大，不确定因素多，因此安装桥梁结构安全监测系统对于掌握桥梁结构响应与运营状况，进行台风等灾后的应急处理具有重要意义。同时，对钢混叠合梁的桥面板裂纹进行监测，可以为后续类似工程提供借鉴。