美国钢箱梁桥长期健康监测系统

美国钢箱梁桥长期健康监测系统

彭琳琳

中交第二航务工程局有限公司湖北武汉

摘要：在混凝土桥面板设计方面，美国最新桥梁设计规范（AASHTOLRFDbridgedesign）允许采用拱效应的轻巧型混凝土桥面板。美国西维吉尼亚摩根顿的四跨306米的星城大桥（TheStarCityBridge）采用了这套设计理念。为表明轻质桥面的长期性能，该桥布置了超过700个传感器来记录在各种荷载参数作用下的桥梁上部结构的结构响应。自2003年建成以来，传感器每隔20分钟对运营阶段的桥梁性能进行不间断测试和评估。本文主要介绍了星城大桥的监测系统，并演示桥面板自浇筑以来4年间的桥梁上部钢结构的响应和规律。由于环境因素影响导致上部结构的应力变化，而上部结构在桥梁一端的收缩或膨胀可以保证应力变化幅度得到一定程度的缓解；在另一端钢梁承受了内力变化，而这些内力变化并未在桥面板设计中予以考虑。因此，桥面板承受的应力已经超过设计初始值20%。根据温度测试数据，发现沿横桥向的非线性温度梯度。相对于LRFD规范，上部结构的最大正温度梯度与规范值相近，而最大负温度梯度存在较大差异。

关键词：长期监测，传感器，钢箱梁桥，温度梯度，环境荷载

1概述

根据ASCE的记录文献，截至2008年12月，12.1%的桥梁存在结构缺陷和14.8%的桥梁存在功能缺陷。AASHTO估计在2008年需要约为480亿美元将用于修复结构缺陷的桥梁，需要910亿用于改善功能缺陷的桥梁。桥梁维护不仅费用昂贵，维护期间交通必须封闭，因此十分麻烦。出于安全考虑，现有桥梁的检查也遵循国家桥梁检测计划。这些桥梁检测记录和数据常被做为维修和复原项目的依据，并进行公路桥梁生命周期管理。然而，桥梁目测技术存在诸多不便，检测人员只能通过有限的测试工具和个人经验来判断桥梁损伤的分类等级；在桥梁运营阶段，目测工作费时费力。目前桥梁检测技术不断发展，允许更复杂、更精确的方法来评估桥梁结构性能，比如遥感系统；同时采用更为合理的方法提供有关特殊结构的桥梁状况。研究表明制定可靠的基于小规模仪表系统显示的桥梁监测系统是可行的。现有桥梁传感器为基础的健康监测系统实践表明该系统具有呈现测试数据的能力。在桥梁损伤方面采用动态技术进行评估的方法是十分有效的。德国人Wolfe在两跨公路桥的监测项目中采用流量荷载作为激励条件；Nagayama等人采用类似的方法确定了日本白鸟大桥（theHakuchoBridge）的模态特性；Ren等对俄亥俄河的罗布林桥（JohnA.RoeblingSuspensionBridge）主缆进行了活载响应和安全等级的评估。Raghavendrachar等采用冲击试验技术进行了桥梁检测和损伤检测。目前损伤识别应用面临的最大挑战是环境因素的变动，因为温度和湿度的变化均会影响结构动态识别的效果。Sohn等在新墨西哥州的阿拉莫萨峡谷大桥（theAlamosaCanyonBridge）固有频率测试表明24小时内频率变化幅度达到5%。

2003年至2004年作者对西维吉尼亚州的星城大桥实施了长期远程监测，该监测系统能通过数据线进行不间断的数据传输，即工程师能够在任何时刻监测桥梁上部结构的行为，分析在交通荷载及环境变化条件下各种桥梁结构及构件的性能情况。同时，监测系统能提供记录评估桥梁结构关键参数长期性能状况的数据库，例如混凝土桥面板的应力应变和裂缝形成，钢梁的弯矩和剪切应力，在桥端部的受力和膨胀情况，以及桥面板的温度分布情况。同时，在桥梁入口设置动态称重装置以记录不间断的交通流量。通过这些措施来记录轻型桥面板浇筑以来4年的桥梁结构受力行为。

星城大桥是根据LRFD规范采用高性能材料和轻型结构设计。截至2007年10月，LRFD规范是由联邦公路管理局授权使用联邦资金全部国家重点工程。根据星城大桥长期监测的采集数据来展示这种轻型结构的长期行为。

2工程概况

新的星城大桥（跨径306m）在旧桥两车道的基础上改建成五车道，采用由经验设计方法的轻型桥面板，图1为该桥建成后情况。桥面板由16.5cm的钢筋混凝土组成，与钢梁相接处采用5cm的乳胶层混凝土。根据钢梁设计，腹板高度范围为1.98m至3.96m，旧桥部分主要是在第二阶段更新铺装层。该桥第一阶段主要施工桥梁北行侧（左幅）的下部结构和上部结构，同时保持旧桥的交通顺畅；第二阶段主要是施工桥梁南行侧（右幅）结构；将左右幅连接形成中间车道。星城大桥结构横断面及施工阶段示意如图1所示。

3监测系统

监测系统目的主要提供结构参数在荷载影响下的动态和静态的响应数据。响应参数包括混凝土桥面在三轴状态下应变、弯矩、剪切应力，钢梁的倾角、应变和应力，混凝土板的膨胀、收缩和裂缝形成，桥台和桥墩的倾向等。荷载参数包括长期影响效应，如季节昼夜气候变化和交通荷载。图3至图5展示了各种传感器及在桥梁结构的所在位置。

监测系统传感器采用基康公司生产的振弦式传感器。混凝土桥面的三

图1横断面及施工阶段示意图

轴应变状态测试采用105型嵌入应变计VCE-4204，全桥布置了21个，其布置形式如图2所示。每个包含5个混凝土应变计和2个4911型钢筋应变计，42个钢筋应变计可连续记录钢筋的受力情况；56个4430型嵌入式裂缝观测仪可记录任何时刻的横向裂纹产生和扩展过程，沿桥面板方向每隔14米布置4个此类传感器；由于温度变化使得两个桥台发生相对位移量，通过位移传感器（型号4425）记录桥梁的整体伸长和收缩，如图2所示。通过可容纳2个传感器的特殊夹具，将其嵌入混凝土中。各振弦传感器配备一个热电阻模块YSI44005，可连续记录传感器周围介质温度情况；温度测量采用温度补偿来校正传感器材料的热膨胀和所测介质的系数之间的差异。采用200个型号VSM4000钢筋应变计，可同时记录钢梁剪切弯曲应变；如果采用焊接方式会导致局部发热引发过高应力集中，因此采用粘合技术进行应变计的安装，即将选定的应变计通过环氧树脂的粘合材料粘接到钢梁上。通过通信在南北车向桥面板中埋入14个新型振弦式应变计记录桥面板的动态应力。

在大型结构中布置大量电缆进行测试，不仅工作繁琐且成本较高，因此在支座2、支座3以及4根倾斜钢梁设置带有内置数字无线系统的倾斜仪进行测试，可直接将数据传输至办事处。Straser和Kiremidjian最早建议将无线传输系统置入传感器中，无线传感单元包括一个低功耗的8位微控制器，转换成模拟输出信号由传感器转换成数字高清晰度格式。目前Pakzad等研发了集成硬件和软件系统于一体的可扩展的无线传感器网络结构健康监测。

图2全桥传感器示意图

由于模拟数据和外部扰动的高水平值相对较小，通过电缆传输倾角数据存在一定风险，同时放大的噪声信号存在被污染的风险。因此，内置无线传输系统被设计成由倾角仪产生模拟值，再转换成数字化格式，最后将以无线方式发送。数字化数据作为输入值，反馈至RF收发器，RF收发器将这些数据发送到相应的接收器，其将它们转换成适合于计算机（SBC）的数字格式。图4显示放置在支座2的倾角仪和数据传输设备。环境因素是长期观测的重要参数。因此，将气象站安置在桥址处，对风速、风向、环境温度、相对湿度、降雨量和太阳辐射状况进行连续记录。

图3桥墩处传感器布置示意图4支座处传感器布置示意

3.1车流量统计系统

作为交通量统计系统（WIM）核心——Peizo电式传感器，可提供车辆轴重和行驶历程，该系统中数据输出格式和设备校准协议均按照ASTM-E-1318标准。将WIM系统安装在流量较大的南行侧，可提供车轮重量、实际速度、车辆车轴数、车轴距等数据。

3.2数据采集系统

沿桥梁不同位置放置传感器进行长期监控测试，每隔20分钟进行所有传感器数据采集，数据记录采用6个基康公司生产的数据记录器（型号8020）。每个数据记录器能够采集自振弦式传感器、卡尔森型传感器、热敏电阻、热电偶、声波探头及所有电压型器件数据。一个数据记录器最多可容纳12单端传感器，可通过连接多路复用器扩展到256个通道。

4钢结构内力

首先必须记录桥梁运营阶段荷载和结构响应，图5为钢梁测试的最大正负弯矩，图6为钢梁的测试轴力，图7为钢梁的剪切应力。

图61#墩位置的钢梁轴力图71#墩位置钢梁剪切应力

图中弯矩（BM）和轴力（AF）采用下列公式计算：

式中，I为惯性矩，d为顶底板间距，A为面积，和为钢梁顶板和底板的应力。

由此可以得到下列公式：

式中，E为弹性模量，ε为测试的应变，α为热膨胀系数，为温度变化量。

在运营阶段中钢梁内力状态时程可以表明，桥梁上部结构荷载主要来自桥面板自重；根据钢梁弯矩可以看出，环境变化所造成的结构响应占到恒载平均值的20%。在桥面板浇筑后，剪切应力发生了较小变化；观测发现桥端部的收缩和膨胀与桥台有关。在运营阶段每个桥台处伸缩缝最大达到30.48cm，最大最小温度分别为34℃和49℃。

DeWolf采用动态测试技术确定了桥梁的结构行为的整体变化，并得出在桥端约束会导致占自然频率15.4％的变化。

5温度荷载

设计单位首先必须考虑桥梁50年及以上的使用寿命内的极端温度条件，通过在桥梁上部结构放置相关温度测量仪器来确定温度变化范围和温度分布规律。为了分析温度数据，必须确定每天最高、最低温度及温度梯度；在每20分钟的数据收集中，计算机程序将分析的温度测试数据转化成24小时内的时程情况，然后标识最大和最小温度值。

根据实测最大正、负温度梯度与AASHTOLRFD设计的梯度进行比较，如图8所示，实测正温度梯度与AASHTO相当接近；通过测量桥面板的负温度梯度比AASHTO更高。通过横桥向构件的温度观测发现横桥向的温度梯度同样存在。在2#墩的结构构件温度测量已参与评价横向桥面的温度梯度，横桥向的温度差值见图9所示。

图9横桥向构件的温度梯度

通过线性温度效应方法计算构件的轴力和弯矩，在桥台处的横断面斜杆轴力的理论值与实测值差异如图10所示。由图10可以得知，靠近内侧斜杆的轴力与理论值基本一致，而沿外侧斜杆轴力呈现逐步增加，在7#梁和8#梁之间达到最大值。由于外侧边梁（8#梁）易受到太阳辐射，从而导致较大的变形。因此，相比桥中心构件而言，外侧支撑构件将受到更大的应力。根据理论计算，竖杆最大容许轴力为387.59kN，而对应位置的斜杆的最大轴力达到了240.2kN，为竖杆的最大容许轴力的62％。

图102#墩支撑构件的轴力对比

杆件的轴力计算公式如下：

式中，F为轴力，为测试的轴向应变，E为弹性模量，为钢结构热膨胀系数，为温度变化值，为构件面积。

6结论

本文介绍了星城大桥上部结构的长期健康监测系统。该系统确保了运营阶段桥梁结构的响应数据，比如混凝土桥面板应力、温度梯度、环境荷载、伸缩缝膨胀和收缩等。钢梁应力状态分析表明，其主要荷载因素是桥面板自重，而温度和环境影响将对主梁产生20%的影响量从而导致桥面板开裂。全桥的膨胀和收缩与理论计算值非常接近，墩台的约束条件将对钢梁产生较大的内力。温度数据表明横桥向的非均匀温度梯度达到6.5℃，对竖杆轴力有直接影响。桥梁上部结构实测的正温度梯度最高值在AASHTOLRFD范围，而实测的负温度梯度比规范范围高出较多。