跨江大橋作為道路交通的咽喉工程，橋樑結構的安全性，無疑成為橋樑管理者最為關心的問題。橋樑建成後，受到氣候、環境等自然因素影響逐漸老化，加之交通量的增長，加劇現有橋樑質量的退化，導致橋樑實際承載能力一定程度降低，橋樑新技術、新工藝的應用，是否滿足設計要求也需要在實際運營過程中檢驗。因此橋樑管理部門需要及時了解橋樑的運營狀態，根據實際情況安排橋樑養護、維修等工作，保證橋樑結構的安全使用，從而保證整個交通網絡的正常暢通。
建立橋樑健康監測系統，將採集到的信息過濾、分解、分析，得到各項監測指標，綜合評價橋樑運營狀態，是橋樑安全運營控制最直接有效的手段。為採取合理、高效的管理及養護措施提供技術支撐。本文以上海長江大橋為背景，通過對大橋各項運營數據進行綜合分析，以結構關鍵變形、斜拉索、結構荷載及環境等指標綜合評估橋樑的運營狀態，為跨江大橋管理與養護積累運營安全評估經驗。
橋樑所處氣候、環境複雜
上海崇明越江通道工程是國家高速公路網——滬陝高速（G40）上海市部分，於2009年10月通車。該通道溝通上海市區與崇明三島，完善了上海市公路網結構和布局，有利於推動上海城鄉一體化發展，增加上海經濟中心的輻射面，更有利於上海服務於全國。
圖1 上海長江大橋總體布置圖
上海長江大橋作為崇明越江通道工程的重要組成部分，工程地處長江入海口，為典型軟土地區，淡水環境與鹽水環境交替，受颱風影響頻繁。主通航孔為5萬噸級船舶通航標準。
全橋由主航道橋、輔航道橋、江中非通航孔橋、陸上引橋組成,大橋總體布置見圖1。主航道橋為雙塔雙索麵鋼箱梁斜拉橋,橋跨布置為92m+258m+730m+ 258m+92m=1430m。輔航道橋為混凝土連續箱梁橋,跨徑布置為80m+2×140m+80m=440m。深水區非通航孔橋樑採用鋼—混凝土疊合梁橋，跨徑布置為90m+5×105m+85m=700m，兩聯全長1400m。其餘橋跨為70m、60m和50m箱梁。
橋樑健康監測系統
1.系統簡介
上海長江大橋結構健康監測系統，是通過在大橋各控制點及難於人工檢測的部位安裝自動監測傳感器，並規劃人工定期檢測，獲取用於結構安全性、耐久性和使用性評估相關的數據，通過專業的數據處理和分析方法，為大橋的結構健康評估提供各類數據，通過定期和不定期的分析與評估，為大橋的養護管理服務。
健康監測系統主要由傳感器系統、數據採集與傳輸系統、數據處理和控制系統、結構健康評估系統、檢查與維護系統共五個功能子系統組成。
2.測點及傳感器布置
上海長江大橋結構健康監測系統實時監測區段，分為主航道斜拉橋和鋼混疊合梁。測點布置、對應採用的傳感器以及監測目的如圖2、表2所示。其中主航道斜拉橋布設了7類252個監測傳感器（含1個GPS基站）；疊合梁布設了4類111個監測傳感器。
圖2 主航道橋測點布置總圖
大橋重點運營監測數據結果分析
1 .結構關鍵變形
主航道橋主梁設置10個撓度測點，兩橋塔各設置1個位移測點，主梁兩端各2個主梁縱向位移測點，共計16個測點。2010～2017年監測數據結果表明——
兩主塔塔頂順橋向位移有明顯的季節變化規律。夏季偏向邊跨，冬季偏向主跨；兩索塔塔頂位移變化幅度一致，塔頂順橋向位移變化範圍為±160mm左右（限值為±628mm），橫橋向位移變化範圍在±100mm左右（限值為±142mm），都在限值範圍內。
季節溫度變化對主跨跨中豎向位移無明顯的影響，橋面鋪裝的更新是主梁位移變化的最主要因素。橋面鋪裝更新期間，主跨跨中豎向位移變化範圍-350mm～400mm左右（限值為-1024mm～217mm），橫向位移變化範圍為-20mm～50mm左右（限值±59mm），除橋面鋪裝剷除後豎向位移存在超限情況外，其餘都在限值範圍內。
主梁端位移變化連續，具有明顯的年度變化規律，且均在限值範圍內。梁端位移變化量與大氣溫度變化量之間的相關性十分顯著，歷年的線性擬合參數變化穩定，且與設計斜率及有限元計算結果較為吻合（如圖3），表明大橋主要約束構件（支座、伸縮縫）工作性能良好。
鋼—混凝土疊合梁橋選取PM64～PM71聯作為監測對象，橋墩及各跨跨中均布置豎向位移測點，共計15個。2010～2017年監測數據結果表明：（1）疊合梁各橋墩與基準墩的相對沉降最大值為19mm，相鄰墩的差異沉降最大值為10mm，都在設計範圍內（設計值±20mm），但各橋墩與基準墩的相對沉降有逐漸變大趨勢。（2）相對沉降引起主梁跨中最大豎向位移約為18.1mm（位於PM69～PM70跨跨中），主梁應力變化較小，支座反力發生一定變化，但均較小，處在安全可控範圍內。
圖3 梁端位移與溫度相關性
2.結構內力
上海長江隧橋健康監測系統，在主航道橋主梁跨中節段布置結構應變測點，對主梁跨中斷面頂、底板總應變採用頻率分布差異的原理進行應變分離，得到長周期應變和短周期應變。分析結果表明：
長周期應變與溫度具有良好的線性相關性，長周期應變主要受結構溫度變化的影響。夏季高溫時主梁頂、底板的應變明顯大於冬季低溫時的應變，夏季高溫時主梁應變更值得關注。
短周期應變主要是受車輛荷載瞬時效應所致，對主梁應變的影響不明顯。
3.斜拉索索力
上海長江大橋健康監測系統選取有代表性的20根索進行實時監測，2010～2017年監測數據結果及每年一次的索力人工測試結果表明：
上下行側對稱位置斜拉索的索力也基本對稱。
長索索力監測值在6730kN～7976kN之間,低於索力限值範圍(7624kN～10607kN)下限值；中長索索力監測值在4926kN ～6201kN之間,接近索力限值範圍(5009kN ～8669kN)下限值；短索索力監測值在2755kN～3464kN之間,接近索力限值範圍(1315kN～3693kN)上限值。
每根索的索力變化連續、趨勢比較平穩，且有明顯的季節變化趨勢，短索索力均隨季節溫度升高呈減小趨勢，邊跨中長索索力隨季節溫度升高呈增大趨勢，長索索力受季節溫度變化相對不敏感。故低溫季節短索索力應加強關注。
每年一次的索力人工檢測結果與監測系統索力一致，各索處於穩定的工作狀態，監測數據準確可靠。
4.結構荷載與環境
溫度荷載
大橋所處的環境溫差效應，是橋樑結構最主要的長期周期性荷載，2010年至2017年長江大橋主航道橋的橋面大氣溫度變化範圍為-7.4℃～+40.0℃。採用結構有限元模型分析極端溫度變化對大橋結構的影響，分析結果表明：
在極端低溫（-7.4℃）條件下，PM61塔塔頂順橋向位移為137mm（向主跨，理論191mm），PM62塔塔頂順橋向位移為-133mm（向主跨，理論-191mm）。
在極端高溫（+40.0℃）條件下，PM61塔塔頂順橋向位移為-133mm（向邊跨，理論-144mm），PM62索塔頂位移為109mm（向邊跨，理論144mm）。
極端高低溫條件下的實測結構變形值，在理論計算值的範圍內。
監測塔頂順橋向位移和梁端位移的溫度相關性指標變化穩定，且與理論計算結果吻合良好。
風荷載
長江隧橋結構健康監測系統，在塔頂和主梁主跨跨中分別安裝了風速儀，實時監測塔頂及橋面的風荷載情況。2010年至2017年間主航道橋橋面各月最大風速基本都在25m/s內變化，只有4次風速超過25m/s，見圖4。
圖4 主航道橋橋面各月最大風速變化趨勢圖
通過對2017年長江大橋橋面和塔頂10分鐘均值風速數據的統計分析，得到橋面和塔頂各月最大風速的變化趨勢圖，如圖5。由圖可知，2017年橋面最大風速沒有超過25m/s的閾值，塔頂風速沒有超過29m/s的閾值，都低於10年重現期的設計基準風速，遠低於100年重現期的設計基準風速。
地震
上海長江大橋從2011年到2017年主要經歷過16次較為明顯的地震，歷次地震時加速度響應均較小，地震反應譜遠小於設計值。表明大橋結構狀況受地震的影響有限，但據此建立的地震事件庫，可為後續大橋百年運營期間的地震分析提供借鑑。
車輛荷載
通過對長江大橋2011年～2017年月交通量數據進行分析，可知：
長江大橋月交通量整體呈增長趨勢，2017年10月車流量達到最大，為104.7萬輛，但增長速度逐步放緩。
小客車為長江大橋主要通行車輛，占所有通行車輛的75%以上，近幾年穩定在80%左右。
上下行對應車道通行車輛總數基本持平，通行車輛數最多的是中間車道，外側車道的通行車輛數最少。
上行中間車道和上行外側車道的超重車數量和超重車比例遠遠高於其他車道，上行外側車道是超重最嚴重的，超重車比例為15%左右；上行車道2的超重車比例為8%左右，而其他車道的超重車比例均在4.5%以內。
上行外側車道超重車比例具有較明顯的季節變化趨勢，每年8月份超重車比例達到最大（超重車比例>20%），每年2月超重車比例最小（超重車比例<10%）。
圖5 長江大橋各月最大風速變化趨勢圖
結語
1. 上述大橋重點運營數據表明，長江大橋各項控制指標均在閾值範圍內，颱風、地震等突發事件均未對大橋結構造成影響，大橋處於良好的彈性工作狀態。但外側車道超重較為嚴重，年平均超重比例約為15%，夏季超重尤其嚴重，超重車輛通行可能會對橋面鋪裝及鋼結構疲勞產生不利影響，在橋樑養護管理過程中予以重點關注。
2. 特大橋的健康監測系統，能有效地進行橋樑結構安全的實時監控，但是對於健康監測系統提供的數據或監測結果，如何更好地與養護人工檢查檢測數據結果相結合相印證，以此推斷出一些病害的產生原因，並採取相應對策，仍有待進一步深入研究，以便更好地發揮健康監測系統為養護維修方案制定提供決策依據的作用。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第1期 總第5期
作者 / 朱明
作者單位 / 上海市政養護管理有限公司