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[转帖] 擘肌分理 对症下药 ——明石海峡大桥结构监测 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2016-1-18 17:09:40 |显示全部楼层 |          |
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文/Kiyohiro Imai 翻译/郭佳


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        明石海峡大桥位于本州岛与四国岛之间。在日本,本州岛与四国岛之间由三条联络线高速相连,其中包含17座大跨径桥梁,有10座悬索桥、5座斜拉桥、1座桁架桥以及1座跨径超过200m的拱桥(图1)。如图2所示,我们共花费了长达25年的时间建造这些大跨径桥梁。

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图1 本州四国联络线中的桥梁(HSBA)


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图2 本州四国联络线桥梁建设历程


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       本州四国联络线桥梁的结构监测系统,包括针对整体结构的动力监测系统,以及针对主缆的湿度监测系统两部分。动力监测系统在这17座大桥中进行有选择的安装,其目的主要是为了保证在诸如地震、台风等极端条件下结构的安全。在明石海峡大桥以及多多罗大桥,我们重点关注了海峡风的特性。此外,在每条联络线的2处共6处位置,还进行了地震动监测。我们对具有代表性的桥梁,如明石海峡大桥、大鸣门桥、南备赞濑户大桥、多多罗大桥和来岛海峡大桥进行了桥梁性能监测。10座悬索桥均安装了干燥除湿系统,通过测量主缆内的湿度来评价干燥除湿系统的使用效率。

       明石海峡大桥建成于1998年,最初三跨设计长度分别为960m、1990m和960m。在1995年的阪神地震中,大桥受到明石海峡断层的冲击,跨度延长为960.0m,1990.8m和960.3m,如图3所示。在当时,大桥仅仅完工了两座主塔和主缆,还没有吊装加劲梁。在地震后的施工中,加劲梁的跨度经过修整,适应了新的跨度要求。


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图3 明石海峡大桥阵风响应位移

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监测系统

       悬索桥通车前,需经过现场振动测试确定其动力特征。但由于缺少合适的激振设备,明石海峡大桥在通车前没有进行动力测试,这就使得监测系统测得的桥梁静动力特征相关结果显得尤为重要。监测系统的主要功能有:

(1)观测风动及地震动等;(2)测量桥梁性能;(3)验证设计标准;(4)应用于桥梁健全度评估。明石海峡大桥监测系统设计如图4所示。

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图4 干燥除湿系统


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       监测系统包含速度传感器、加速度传感器、地震动传感器、风速计、测量位移的GPS、主缆温度计以及主塔调谐质量阻尼器(TMD)的位移传感器。10多年来,我们积累了规模庞大的数据,尤其对强风下测量的数据进行了详细的分析,下文将进行详细阐述。


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强风下的位移

       图3显示的是明石海峡大桥中跨跨中在强风下的设计位移以及实际观测位移,由此可以得知,实测平均位移(红色方块点)低于设计平均位移(红实线),这说明明石海峡大桥静力抗风设计相对保守。然而,至今为止最大实测风速仅为设计风速(约60m/s)的一半,故我们应该对可能出现的更高风速进行持续观测,从而进行完整的设计验证工作。

       为了验证大桥设计的安全性,动力性能也是至关重要的验证指标,大桥的设计和基于实测数据分析出的固有频率以及对数阻尼比如下表所示,结构实测阻尼比略高于设计值,而实测固有频率则与设计值相符。

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                                                             固有频率和阻尼比表


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主缆内的湿度环境

       主缆是悬索桥最为重要的结构之一。传统悬索桥的主缆通常采用红铅等材料作为密封膏,填充于缠丝之间,使之紧紧包裹主缆钢丝进行防锈。然而在明石海峡大桥修建之前的一次调研中发现,采用这种方法缠包的主缆,锈蚀发生在深至主缆从外向内的第二、三层钢丝中,这表明传统的防锈方法在日本高湿度、高温差的特殊环境下并不适用。为了解决这个问题,有关专家对锈蚀产生机理以及新型防锈剂进行了试验和理论分析。最终,本州四国大桥局促成了一种新型主缆防锈方法——干燥除湿系统的研发,即通过向主缆内注入干燥空气来减少主缆内的水分和湿度。干燥除湿系统由干燥空气发生器、进气盖板、出气盖板以及主缆表面的密闭屏蔽套组成,如图4所示。


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图5 明石海峡大桥主缆内外相对湿度对比图

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        图5显示的是明石海峡大桥建成通车主缆内部的相对湿度数据。由图可知,相对湿度虽然受主缆外部季节变化的影响,但采用干燥除湿系统可使主缆湿度始终保持在60%以下(实际设定目标湿度为40%)。其他既有悬索桥增设干燥除湿系统也于2002年全部完成。通过数据积累和试验多种空气进气模式,我们致力于在未来建立一种可应对季节变化的更为高效、经济的系统操控方式。

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(作者单位:日本本州四国联络高速道路株式会社)

(译者单位:中国交通运输部公路科学研究所)

(编辑:陈晨)

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