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        渦振 虎門大橋在風中“顫抖”---芻議橋梁結構監測的重要性
        瀏覽: 發布時間:2020-05-08 [我要打印]

               2020年5月5日下午,代表著二十世紀中國橋梁最高成就的虎門大橋牽動著社會各界人士的神經,原因是虎門大橋的懸索橋面出現了肉眼可見的波浪型晃動,產生的振幅對行車安全造成極大隱患?;㈤T大橋于1992年開始施工建設,1997年正式通車。如此明顯的震動在近23年間尚屬首次。

        虎門橋動圖2.gif

        虎門大橋監控畫面


               可能有人不禁會問:風的力量可以撼動如此大的構筑物么?對這個問題,專家給出如下解釋:因為近期對橋梁進行升級改造,在橋梁中間安裝水馬(擋墻),從而改變橋梁斷面的流線型結構,在特定風力條件下,產生了橋梁的渦振現象。講到這里,讓我們暫停一下,稍作解釋,風帶給橋梁的作用力是十分復雜的,它受風的自然屬性、結構動力特性以及風與結構的相互作用關系等三方面因素影響,受地表起伏和各種建筑物帶來的影響,使得近地風的風速和風向及其空間分布隨時間變化而產生隨機性,當這種帶有脈動性質的風繞過非流線型截面(這里指加上水馬后新的橋梁斷面)橋梁結構時,就會產生旋渦和流動分離狀態,形成復雜的綜合作用力。這種作用力可引起橋梁的振動,而橋梁結構的振動又將引起空氣流場的變化,這種相互作用的機制使得原有問題變得更加復雜。


               懸索橋,又名吊橋(suspension bridge)是指以通過索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結構主要承重構件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定,一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿,把橋面吊住,在橋面和吊桿之間常設置加勁梁,同纜索形成組合體系,以減小荷載所引起的撓度變形。懸索橋的進化過程就是一部人類與風抗爭的歷史,橋梁的風毀事故最早可以追溯到1818年,蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋首先因風的作用而遭到毀壞,之后,英國的Tay橋因未考慮風的靜力作用垮掉,并造成75人死亡的慘劇,1940年,美國華盛頓新建成的Tacoma Narrows橋,在不到20m/s的風速作用下發生了強烈的振動并導致破壞,見下圖。

        圖片1222.png

        被風摧毀的Tacoma Narrows橋


               可見,無論何種原因造成的橋梁或建筑物的損毀,都會對人類的生命和財產造成難以估量的損失??赡艽蠹乙獑枺何覀兪欠衲軐ξ磥砜赡馨l生的事故提前感知?或者即使發生事故,也能把事故傷害降到最低呢。我想這也是無數行業從業者為之努力與奮斗的目標。

               利用科技手段提升橋梁自感知能力是橋梁管理的必由之路,如今,隨著科學技術應用的不斷發展,利用物聯網、大數據、人工智能等高科技手段進行橋梁在線安全監測的技術已經逐漸成熟,通過對橋梁安裝感知設備,結合數據分析、結構分析,對橋梁等構筑物進行結構狀態分析,這樣做使我們:

        1、實時掌握橋梁等構筑物在不同工況下結構狀態的變化趨勢,結合實時獲得的監測數據進行量化分析,為維修養護部門提供精確化結論;

        2、在特殊氣候、特殊事件、橋梁運行狀況異常等情況時,動態響應,及時發出預警并提供數據反饋,協同專家實時跟蹤,及時提供專業意見,為管理單位提供運維決策支持。

        3、通過實時監測數據所獲得的結構動靜力行為分析,不僅可以精確檢驗設計理論模型和計算假定,尤其重要的是,為橋梁維修加固方案的設計和論證提供重要參考數據,降低運維成本。


        傳感器在結構健康監測中的應用

        1、風速風向監測

        風速風向傳感器是對橋梁所在位置的風速、風向等進行實時監測,為分析橋梁的工作環境,驗證風振理論提供依據,并提供風環境下橋梁的工作狀態,風速風向傳感器的測點布設一般根據抗風報告,選取風速較大,具有代表性的位置,通常為橋梁的跨中和塔頂。

        2、環境溫濕度監測

        環境溫濕度傳感器通過對橋址處環境溫濕度進行監測,分析環境溫濕度對結構靜力響應和結構振動特性的影響,同時也可以對結構狀態進行損傷識別,并判斷損傷的發展程度。

        3、位移監測

        橋梁位移傳感器監測的內容主要包括橋梁空間位移、主塔傾斜、主梁縱向位移、主梁及拱肋下撓等,該方法可以實時掌握橋梁在各個方向上的變形形狀以及位移情況,與理論計算或者規范限值相比較,以此來驗證整個橋梁各個構件的剛度變化情況。

        4、結構動力特性監測

        橋梁動力特性的改變直接反映了橋梁剛度大小的改變,通過實時監測橋塔、主梁、拉索在風、交通、地震等作用下的振動響應,來評估結構整體的動力特性,為橋梁在動力特性下的損傷識別和損傷發展趨勢提供依據。結構動力特性主要通過模態測試來實現,并結合結構有限元分析模型,理論計算與實際數據對比分析,驗證橋梁的結構動力特性。

        5、應力監測

        結構應力是判斷結構安全最直接的指標,由于對結構應力水平進行直接測量具有較大難度,因此應力監測是通過應變測量結果換算得到的,通過應變傳感器對橋梁的應變監測實時掌握橋梁關鍵部位在車輛荷載、風荷載、溫度荷載和地震等外荷載作用下的應力狀況,可作為直接判斷相應位置應力水平是夠處于安全狀態的依據。

        6、索力監測

        拉索作為下承式拱橋、中承式拱橋、斜拉橋、懸索橋的主要受力構件,一方面它是支撐和傳遞橋面荷載的主要途徑,另一方面索力的變化對結構的整體受力狀態有著重要影響,因此拉索索力監測是結構健康監測的重點內容。

        橋梁結構監測的應用案例

               伊通河大橋是長春市南四環路跨伊通河的重要交通干道,主橋為三跨飛燕式鋼管混凝土異型拱橋,2017年安裝了橋梁結構監測系統,長春市智慧城市科技有限公司是該橋結構監測系統建設和運維的主體單位。


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        伊通河大橋BIM圖示

               2020年1月,曾有市民針對伊通河大橋振動問題表達了對橋梁結構安全的擔憂,為此公司高度重視,公司領導和技術骨干第一時間奔赴現場,結合現場勘探情況和結構在線監測數據進行綜合技術分析,得出橋梁結構安全的結論。伊通河大橋主橋部分為三跨飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋,由于車輛行駛,主拱圈會產生向下變形并恢復變形的來回震動,受吊桿拉力作用,會將此效果傳給鋼箱梁;另由于鋼箱梁由吊桿懸吊著,本身鋼結構材料剛度小,在車輛行走沖擊作用時會產生自身的上下震動。這兩種震動效果都會體現在伸縮縫位置,因此在伸縮縫位置附近震動感比較強,這是此種橋型結構體系的受力特點,屬于正?,F象,并不影響結構的安全性。同時,從監測數據看,該橋在豎向方向上的位移變化范圍正常,遠低于設計值,并且通過長期監測數據的觀察,這種變化趨勢是很穩定的,因此對橋梁結構安全沒有影響。


               在回復熱心市民電話中,公司技術負責人詳細解答了市民困惑,獲得市民了解并滿意的同時,得到了管理單位的高度認可,也進一步佐證了橋梁結構監測系統建設對橋梁安全管理的重要作用。


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         伊通河大橋震動BIM模擬圖

               長春市智慧城市科技有限公司多年來深耕于基礎設施領域信息化建設管理,通過充分融合物聯網、大數據、人工智能、BIM等高新技術,在橋梁結構監測領域不斷深入探索,研發出具有自主知識產權的“物聯網+大數據”的市政橋群管理系統平臺。該平臺不僅提供基于物聯網、大數據分析等方面技術的橋梁結構監測技術服務,也能夠實現基于BIM的橋梁全生命周期信息歸集,并提供預警、結構安全狀態評估、巡檢等相應功能。2020年4月,由長春市智慧城市科技有限公司主編的《吉林省市政橋梁結構監測技術標準》正式發布,該標準的發布提高了吉林省市政橋梁全生命周期科學化、精細化管理水平,也進一步保障了橋梁的運營安全。

         

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        基于“物聯網+大數據”的市政橋群管理平臺


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        基于“物聯網+BIM”的橋梁結構監測系統

        基礎設施建設是國家經濟發展的基石,路橋安全管理更是基礎設施管理的核心內容,橋梁結構監測正是基于路橋安全管理應運而生?;㈤T大橋事件突顯了橋梁結構監測的重要作用,也給全國橋梁工作者及關注橋梁結構安全的社會各界人士敲響了警鐘。業精于勤荒于嬉,行成于思毀于隨。我們只有不懈追求真理,才能離真相更近。

         

         

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