基于封闭连通管的千米级悬索桥挠度测试

广东公路交通

摇摇

GuangdongHighwayCommunications

摇摇摇摇摇

Vol郾45No郾5Oct郾2019

文章编号:1671-7619(2019)05-0128-05DOI:10.19776/j.gdgljt.2019-05-0128-05

基于封闭连通管的千米级悬索桥挠度测试

(1.广东交科检测有限公司,广州510550,2.广东交通职业技术学院,广州510650)

摘要:在桥梁荷载试验中,挠度是关键的观测和评价指标,但对于超大跨径的跨江跨河桥梁,主梁挠度尤其是动挠度的观测还是一个难题。以虎门二桥项目大沙水道桥的荷载试验为例,介绍了基于封闭连通管的千米级悬索桥的挠度测试方法,以及与传统方法和其他方法的对比情况。结果表明,基于封闭连通管的挠度测试方法可满足千米级悬索桥的试验要求。

关键词:挠度测量;连通管;荷载试验;悬索桥

中图分类号:U446摇摇摇文献标志码:B

魏摇斌1,蒋娜芳2,曾汉辉1

0摇引言

在桥梁荷载试验中,挠度是关键的观测指标,在静载试验中,一般采用水准仪、接触式位移

对于桥梁的性能评价非常重要。

计等方法进行测量,但对于超大跨江的跨径跨河桥梁,由于具有跨度大,桥面高差大,距离地面高等不利条件,人工测量方法费时费力,较长的测量时间内,温度荷载引起的桥梁变形不可忽视,测量数据有可能不收敛,对测试方法提出了很高的要求。更重要的,对于超大跨径跨江跨河桥梁的动态挠度测试,受制于距离、参考点、精度等因素的影响,工程上仍是一个难题。公路桥梁荷载试验规程(JTG/TJ21-01-2015)要求的动挠度测试设备。

当前,一些新的挠度测量方法,如:GPS法、雷达法、图像法、连通管法等逐渐在一些桥梁荷载试验中得到尝试和应用,取得了一些进展

[2-3]

[1]

1摇封闭连通管挠度测试的基本原理

方法完全能够满足千米级悬索桥的试验要求。

管道受迫振动时内部液体压力分布的理论分

析是建立封闭连通管挠度测量系统的基础,对于封闭连通管进行桥梁动态挠度监测的可行性、动态特性的主要影响因素、影响规律及提升方法等关键问题的回答非常重要。

考虑流体可压缩性,采用以下基本假定,推导桥梁变形下封闭连通管内的液体压力变化:

(1)介质是连续的;

(2)流体是层流流动,流体运动产生的压力沿(3)流动速度是沿轴向且对称分布的,流速的(4)流体的压力和流速为叠加在背景信号上(5)管路半径远远小于流体流动的波长和管

中总结,对于特大跨

截面均匀分布;

径桥梁,目前仍缺乏实用可靠、分辨率能较好满足

径向和圆周方向的速度分量均为零;

的小幅度信号(小扰动),系统表现为线性;

笔者对近年来兴起的封闭式连通管系统进行了研究,从理论上明确了封闭连通管法进行动态挠度监测的可行性,扩展了连通管桥梁挠度监测系统的适用范围,补齐了连通管法动态测量的短板,技术指标满足大跨度桥梁的测试要求[4-5]。

本文以虎门二桥大沙水道桥的荷载试验为

。

长,径向速度为零,紊流的影响可以忽略不计。

例,介绍了封闭连通管方法在千米级悬索桥静动态挠度测试中的应用效果,以及与传统方法的对比情况。结果表明,基于封闭连通管的挠度测试·128·

图1摇管道内流体的受力分析

作者简介:魏斌(1985.5-),男,工学博士,路桥高级工程师,从事桥梁检测工作,Email:07weibin@mail.tongji.edu.cn。

2019年第5期魏斌,等:基于封闭连通管的千米级悬索桥挠度测试总第164期

如图1所示的与桥梁协调变形的连通管,沿管道长度方向为x,连通管的协调变形记为啄(x,t),取流体单元进行受力分析:

籽dx鄣鄣ut+鄣鄣pxdx+R淄籽udx+籽dxæ

çè鄣鄣2t啄2-gö÷ø鄣啄=0(1)

式中:籽为流体的密度,u为流速,p鄣x

为压强,淄为运动粘度,g为重力加速度,R淄为与管道振动频率棕相关的当量摩擦系数。当管道半径r>(80淄/棕)

0.5

时,可取R[6]

(1)变为:

淄=0,忽略摩擦的影响

,此时式

鄣鄣ut+1籽鄣鄣px+æ

çè鄣鄣2t啄2-gö÷ø鄣鄣啄x

=0(2)记压力波速为c,流体的连续性方程为:

籽c2

鄣鄣ux+鄣鄣pt

=0

(3)

整理后,得到在梁体的受迫振动下,连通管道内压强分布所服从的一维波动方程:

鄣鄣2

tp2-c2鄣鄣x2

p2=籽c2æçæèçè鄣鄣2

t啄2-gö÷ø鄣鄣2x啄2+鄣鄣t2

3鄣啄x鄣鄣啄xö÷ø(4)

设管道变形,代入上式,得到受迫振动下充液管道受到的压强扰动含有两种频率成分,一种是与重力有关的成分,频率为棕;一种是与管道惯性力有关的成分,频率为2棕。

利用振型分解法求解。设p含有两种频率成分:

p(x,t)=移An准n边界条件为水箱端(xx)=ei棕t0+移处自由Bn准n,(水管末端x)ei2棕t

(5)

x=l处固结:

p(0,t)=0,

鄣考虑振型的正交性,以及边界条件后鄣p

x

(l,t)=0(6)

,得到受迫振动下充液管道流体压强的时变分布解:

p(x,t)=移Ansin

(2n-1)移Bnsin

(2n-1)2l

xei棕t

+2l

xei2棕t

(7)

An和Bn为与梁体变形驻(x)有关的系数。如图2所示,管道振动时产生的附加压强始终朝向远离基准水箱的方向,在通过梁体振动的平衡位置时,附加压强并不发生反向,这就是Bn项的物理解释。

图2摇强迫振动下管道内流体的附加压强

在小变形假定下,Bn为高阶量,可以忽略。管道振动时的流体压强主要成分为n-1):

p(x,t)=移Ansin

(2对A2l

xei棕t

(8)

p/籽g驻随动频率n进行数值分析,得到系统的动力放大系数f=棕/2的变化曲线,如图3所示。

从图3中可以看出,强迫振动频率f寅0时,系

统趋近于静力状态。随着强迫振动频率的提高,以及管道长度的增大,系统受动态振动的影响越明显0.。力响应的偏差均在1Hz时根据参数分析的结果,主跨小于5%1200m,以内。的桥梁动力响应与静强迫振动的频率f<在车辆荷载等因素引起的低频外部强迫振动下,可以近似按静力条件下简单的p=籽g驻关系进行动态压强p和测点变形啄的换算,并通过图3确定近似计算的误差,使计算大为简化。

图3摇强迫振动下管道内流体压强的动力放大系数

此外,对于实际的测量系统,量值传递过程是比较复杂的,应同时考虑传感器动态特性的影2摇响[4]工程概况

。

虎门二桥项目是广东省高速公路网规划中连

接广州和东莞的重要东西向通道,上游距珠江黄埔大桥约20km,下游距虎门大桥约10km。主线设置两座跨海特大跨径悬索桥,分别为坭洲水道桥和大沙水道桥。

虎门二桥项目大沙水道桥为主跨1200m双塔单跨悬480m,索桥,主缆跨径布置为360m梁,全宽矢跨比为44.7m,梁高19.4m,5,如图索塔采用钢筋混凝土门式

4所示。主梁为钢箱+1200m+·129·

2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第164期

索塔,塔高193.1m,设上、下两道横梁。主缆采用预制平行钢丝索股,横桥向中心间距为42.1m,吊索采用平行钢丝吊索,顺桥向标准间距为12.8m。

图4摇大沙水道桥桥型布置(单位:cm)

为掌握桥梁结构的实际受力状况,验证设计计算结果,对桥梁结构做出总体评价,建立桥梁的初始信息档案,为桥梁运营和养护管理提供基本信息及参考依据,在大沙水道桥建成后、投入运营3摇前进行了一次荷载试验3.1摇静载试验

。

大沙水道桥共设置加载工况

18个试验工况,受篇幅限

制,仅对1/4L、3/8L和跨中截面最大挠度工况进行介绍。

根据等效荷载的加载原则,采用总重约350kN的试验车辆进行加载,每个工况按4级进行加载,1级卸载。各工况的加载效率如表1所示,加载车辆的轮位示意图如图5所示。

表1摇大沙水道桥静载试验荷载效率

工况设计荷载效应试验荷载效应L/4/(kN·m)-2926/(kN·m)荷载效率车辆数-28860.99643LL//2

8-2-2739362

-2-2621391

0.1.9601

6464

图5摇车辆加载(跨中工况)

3.2摇主梁挠度采用封闭连通管法和人工水准仪法

测点布置

进行对比测量,按纵向八等分点进行测点布设,测·130·

点布置如图6所示。

图6摇挠度测点布置(单位:m)

3.3摇由于测试效率的原因试验结果

,人工水准测量在每个

工况的前3级加载中,只对关键测点进行观测。两种方法在3个工况下的结果对比如图7~图9所示,满载工况下与理论值的对比如图10所示。从图中可以看出,各工况下两种方法的测量结果十分接近,但连通管法实现了无人值守的自动测试,测试效率具有较大优势。

图7摇1/4L工况下的主梁变形曲线

图8摇3/8L工况下的主梁变形曲线

图9摇1/2L工况下的主梁变形曲线

2019年第5期魏斌,等:基于封闭连通管的千米级悬索桥挠度测试总第164期

图10摇满载工况下两种测试方法的对比

测试数据表明,主梁关键截面的挠度实测值与理论值随荷载效率变化基本呈线性关系,结构基本处于弹性工作状态。3个满载工况下,主梁的挠度校验系数在0.86~0.89之间,满足规范要求。

图11摇主梁关键截面的挠度实测值与理论值

随荷载效率变化

4摇4.1摇动载试验对比

无障碍行车试验采用两辆加载工况

350kN载重汽车以单向行km车道中线对称行车,分别以10桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动挠度/h、30km/h、40km/h车速驶过桥跨结构km/h、20

,,测定以测试结构在行车载荷作用下的动力反应。

有障碍行车试验采用5cm弓形板作为障碍物,以模拟桥面的不平整状态,其加载过程与无障4.碍行车试验相同2摇封闭连通管法的适应性分析。

根据经典的车桥振动匀速移动常量力模型,

跑车荷载引起的桥梁变形可以分为车辆荷载引起的低频外部强迫振动和桥梁的自由振动两种成分,前者表现为“大波冶,后者表现为叠加在“大波冶上的“小波冶,一般幅值较小。

按照40km/h车速驶过1200m主桥计算,车辆荷载引起的低频外部强迫振动频率为0.009Hz,由图3,流体压强的动力放大系数几乎可以忽略,完全可以直接采用静力简化公式进行计算。

对于车辆荷载引起的桥梁自由振动成分,理论分析和现场实测均表明,最低几阶振型起主要作用,高阶振型的贡献很小。经测试,大沙水道桥

3,的主梁一阶反对称竖弯振动频率为0.113Hz,由图

化公式可以得到偏安全的结果流体压强的动力放大系数<5%。,若采用静力简因此,封闭连通管法完全可以用于大沙水道桥行车试验的挠度测试4.3摇试验结果

。

无障碍跑车试验10km/h~40km/h车速下的动态挠度测试结果如图12~图15所示,有障碍跑车试验10km/h~20km/h车速下的动态挠度测试结果如图16~图17所示。

图12摇无障碍10km/h跑车试验(广州到东莞跑车)

图13摇无障碍20km/h跑车试验(广州到东莞跑车)

图14摇无障碍30km/h跑车试验(东莞到广州跑车)

图15摇无障碍40km/h跑车试验(东莞到广州跑车)·131·

2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第164期

好满足要求的动挠度测试设备。

本文从理论上明确了封闭连通管法进行大跨度桥梁动态挠度监测的可行性,扩展了连通管桥梁挠度监测系统的适用范围,补齐了连通管法动态测量的短板,介绍了一种适用于大跨度桥梁动态挠度测试的实用方法。以主跨1200m的大沙水道悬索桥的荷载试验为例,介绍了基于封闭连通

图16摇有障碍10km/h跑车试验(广州到东莞跑车)

管的千米级悬索桥的挠度测试工作。结果表明:静载工况下连通管法和人工水准仪法的测量结果十分接近,但连通管法实现了无人值守的自动测试,测试效率具有较大优势;动载工况下封闭连通管法成功捕捉到了车辆荷载引起的低频外部强迫振动和桥梁的自由振动两种成分,与理论预期一致。基于封闭连通管的挠度测试方法可满足千米级悬索桥的试验要求。

图17摇有障碍20km/h跑车试验(东莞到广州跑车)

可以看出,封闭连通管法成功捕捉到了车辆荷载引起的低频外部强迫振动和桥梁的自由振动两种成分。通过对“小波冶进行频谱分析,其主要信号频率为0.113Hz,为主梁一阶振动频率,表明前述分析是正确的。各跑车工况中,关键截面的最大变形幅值有轻微差异,原因在于车辆的横向位置每次均略有差异。由于桥梁具有良好的柔度,跑车工况的冲击系数均较小。

在桥梁荷载试验中,挠度是关键的观测和评

参考文献:

北京:人民交通出版社股份有限公司,2016.

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感器在桥梁挠度测量中的应用[J].传感器与微系统,

[3]张俊平.桥梁检测[M].北京:人民交通出版社,[4]魏斌,王强.封闭式连通管挠度测量系统动态特性[5]魏斌,王强.封闭连通管式桥梁挠度监测系统实测[6]罗志昌.流体网络理论[M].北京:机械工业出版

(收稿日期:2019-07-01)

5摇结语

研究[J].交通标准化,2014,42(11):139-143.

价指标,但对于超大跨径的跨江跨河桥梁,主梁挠度尤其是动挠度的观测还是一个难题。公路桥梁荷载试验规程(JTG/TJ21-01-2015)中总结,对于特大跨径桥梁,目前仍缺乏实用可靠、分辨率能较

效果初探[J].公路交通科技(应用技术版),2016,12(12):153-156.社,1988.

DeflectionTestofaSuspensionBridgewithSpanLongerthanOneThousandMetersBasedontheClosed-endConnecting-pipeMethod

(1.GuangdongJiaokeTestingCo.,Ltd.,Guangzhou510550;2.GuangdongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510650)

WEIBin1,JIANGNafang2,ZENGHanhui1

Abstract:Deflectionisakeyobservationandevaluationindicatorinbridgeloadtests,however,forlargespanbridges,thedeflectionmeasurementofthemainbeam,especiallythedynamicdeflection,isstilladifficultproblem.Inthispaper,takingthedeflectiontestofDashaWaterwaySuspensionBridgeoftheSecondHumenBridgeProjectasanexample,theprinciplesofclosed-endconnecting-pipemethodhavebeenintroduced,withtheresultsbeingcomparedwithtraditionalmethods.Theresultshaveshownthatthedeflectiontestmethodbeingbasedontheclosed-endconnecting-pipemethodcanfullymeetthetestrequirementsofthesuspensionbridgewithspanlongerthanonethousandmeters.

Keywords:deflectionmeasurement;connecting-pipe;suspensionbridge

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