跨江大桥作为道路交通的咽喉工程，桥梁结构的安全性，无疑成为桥梁管理者最为关心的问题。桥梁建成后，受到气候、环境等自然因素影响逐渐老化，加之交通量的增长，加剧现有桥梁质量的退化，导致桥梁实际承载能力一定程度降低，桥梁新技术、新工艺的应用，是否满足设计要求也需要在实际运营过程中检验。因此桥梁管理部门需要及时了解桥梁的运营状态，根据实际情况安排桥梁养护、维修等工作，保证桥梁结构的安全使用，从而保证整个交通网络的正常畅通。
建立桥梁健康监测系统，将采集到的信息过滤、分解、分析，得到各项监测指标，综合评价桥梁运营状态，是桥梁安全运营控制最直接有效的手段。为采取合理、高效的管理及养护措施提供技术支撑。本文以上海长江大桥为背景，通过对大桥各项运营数据进行综合分析，以结构关键变形、斜拉索、结构荷载及环境等指标综合评估桥梁的运营状态，为跨江大桥管理与养护积累运营安全评估经验。
桥梁所处气候、环境复杂
上海崇明越江通道工程是国家高速公路网——沪陕高速（G40）上海市部分，于2009年10月通车。该通道沟通上海市区与崇明三岛，完善了上海市公路网结构和布局，有利于推动上海城乡一体化发展，增加上海经济中心的辐射面，更有利于上海服务于全国。
图1 上海长江大桥总体布置图
上海长江大桥作为崇明越江通道工程的重要组成部分，工程地处长江入海口，为典型软土地区，淡水环境与盐水环境交替，受台风影响频繁。主通航孔为5万吨级船舶通航标准。
全桥由主航道桥、辅航道桥、江中非通航孔桥、陆上引桥组成,大桥总体布置见图1。主航道桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥,桥跨布置为92m+258m+730m+ 258m+92m=1430m。辅航道桥为混凝土连续箱梁桥,跨径布置为80m+2×140m+80m=440m。深水区非通航孔桥梁采用钢—混凝土叠合梁桥，跨径布置为90m+5×105m+85m=700m，两联全长1400m。其余桥跨为70m、60m和50m箱梁。
桥梁健康监测系统
1.系统简介
上海长江大桥结构健康监测系统，是通过在大桥各控制点及难于人工检测的部位安装自动监测传感器，并规划人工定期检测，获取用于结构安全性、耐久性和使用性评估相关的数据，通过专业的数据处理和分析方法，为大桥的结构健康评估提供各类数据，通过定期和不定期的分析与评估，为大桥的养护管理服务。
健康监测系统主要由传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理和控制系统、结构健康评估系统、检查与维护系统共五个功能子系统组成。
2.测点及传感器布置
上海长江大桥结构健康监测系统实时监测区段，分为主航道斜拉桥和钢混叠合梁。测点布置、对应采用的传感器以及监测目的如图2、表2所示。其中主航道斜拉桥布设了7类252个监测传感器（含1个GPS基站）；叠合梁布设了4类111个监测传感器。
图2 主航道桥测点布置总图
大桥重点运营监测数据结果分析
1 .结构关键变形
主航道桥主梁设置10个挠度测点，两桥塔各设置1个位移测点，主梁两端各2个主梁纵向位移测点，共计16个测点。2010～2017年监测数据结果表明——
两主塔塔顶顺桥向位移有明显的季节变化规律。夏季偏向边跨，冬季偏向主跨；两索塔塔顶位移变化幅度一致，塔顶顺桥向位移变化范围为±160mm左右（限值为±628mm），横桥向位移变化范围在±100mm左右（限值为±142mm），都在限值范围内。
季节温度变化对主跨跨中竖向位移无明显的影响，桥面铺装的更新是主梁位移变化的最主要因素。桥面铺装更新期间，主跨跨中竖向位移变化范围-350mm～400mm左右（限值为-1024mm～217mm），横向位移变化范围为-20mm～50mm左右（限值±59mm），除桥面铺装铲除后竖向位移存在超限情况外，其余都在限值范围内。
主梁端位移变化连续，具有明显的年度变化规律，且均在限值范围内。梁端位移变化量与大气温度变化量之间的相关性十分显著，历年的线性拟合参数变化稳定，且与设计斜率及有限元计算结果较为吻合（如图3），表明大桥主要约束构件（支座、伸缩缝）工作性能良好。
钢—混凝土叠合梁桥选取PM64～PM71联作为监测对象，桥墩及各跨跨中均布置竖向位移测点，共计15个。2010～2017年监测数据结果表明：（1）叠合梁各桥墩与基准墩的相对沉降最大值为19mm，相邻墩的差异沉降最大值为10mm，都在设计范围内（设计值±20mm），但各桥墩与基准墩的相对沉降有逐渐变大趋势。（2）相对沉降引起主梁跨中最大竖向位移约为18.1mm（位于PM69～PM70跨跨中），主梁应力变化较小，支座反力发生一定变化，但均较小，处在安全可控范围内。
图3 梁端位移与温度相关性
2.结构内力
上海长江隧桥健康监测系统，在主航道桥主梁跨中节段布置结构应变测点，对主梁跨中断面顶、底板总应变采用频率分布差异的原理进行应变分离，得到长周期应变和短周期应变。分析结果表明：
长周期应变与温度具有良好的线性相关性，长周期应变主要受结构温度变化的影响。夏季高温时主梁顶、底板的应变明显大于冬季低温时的应变，夏季高温时主梁应变更值得关注。
短周期应变主要是受车辆荷载瞬时效应所致，对主梁应变的影响不明显。
3.斜拉索索力
上海长江大桥健康监测系统选取有代表性的20根索进行实时监测，2010～2017年监测数据结果及每年一次的索力人工测试结果表明：
上下行侧对称位置斜拉索的索力也基本对称。
长索索力监测值在6730kN～7976kN之间,低于索力限值范围(7624kN～10607kN)下限值；中长索索力监测值在4926kN ～6201kN之间,接近索力限值范围(5009kN ～8669kN)下限值；短索索力监测值在2755kN～3464kN之间,接近索力限值范围(1315kN～3693kN)上限值。
每根索的索力变化连续、趋势比较平稳，且有明显的季节变化趋势，短索索力均随季节温度升高呈减小趋势，边跨中长索索力随季节温度升高呈增大趋势，长索索力受季节温度变化相对不敏感。故低温季节短索索力应加强关注。
每年一次的索力人工检测结果与监测系统索力一致，各索处于稳定的工作状态，监测数据准确可靠。
4.结构荷载与环境
温度荷载
大桥所处的环境温差效应，是桥梁结构最主要的长期周期性荷载，2010年至2017年长江大桥主航道桥的桥面大气温度变化范围为-7.4℃～+40.0℃。采用结构有限元模型分析极端温度变化对大桥结构的影响，分析结果表明：
在极端低温（-7.4℃）条件下，PM61塔塔顶顺桥向位移为137mm（向主跨，理论191mm），PM62塔塔顶顺桥向位移为-133mm（向主跨，理论-191mm）。
在极端高温（+40.0℃）条件下，PM61塔塔顶顺桥向位移为-133mm（向边跨，理论-144mm），PM62索塔顶位移为109mm（向边跨，理论144mm）。
极端高低温条件下的实测结构变形值，在理论计算值的范围内。
监测塔顶顺桥向位移和梁端位移的温度相关性指标变化稳定，且与理论计算结果吻合良好。
风荷载
长江隧桥结构健康监测系统，在塔顶和主梁主跨跨中分别安装了风速仪，实时监测塔顶及桥面的风荷载情况。2010年至2017年间主航道桥桥面各月最大风速基本都在25m/s内变化，只有4次风速超过25m/s，见图4。
图4 主航道桥桥面各月最大风速变化趋势图
通过对2017年长江大桥桥面和塔顶10分钟均值风速数据的统计分析，得到桥面和塔顶各月最大风速的变化趋势图，如图5。由图可知，2017年桥面最大风速没有超过25m/s的阈值，塔顶风速没有超过29m/s的阈值，都低于10年重现期的设计基准风速，远低于100年重现期的设计基准风速。
地震
上海长江大桥从2011年到2017年主要经历过16次较为明显的地震，历次地震时加速度响应均较小，地震反应谱远小于设计值。表明大桥结构状况受地震的影响有限，但据此建立的地震事件库，可为后续大桥百年运营期间的地震分析提供借鉴。
车辆荷载
通过对长江大桥2011年～2017年月交通量数据进行分析，可知：
长江大桥月交通量整体呈增长趋势，2017年10月车流量达到最大，为104.7万辆，但增长速度逐步放缓。
小客车为长江大桥主要通行车辆，占所有通行车辆的75%以上，近几年稳定在80%左右。
上下行对应车道通行车辆总数基本持平，通行车辆数最多的是中间车道，外侧车道的通行车辆数最少。
上行中间车道和上行外侧车道的超重车数量和超重车比例远远高于其他车道，上行外侧车道是超重最严重的，超重车比例为15%左右；上行车道2的超重车比例为8%左右，而其他车道的超重车比例均在4.5%以内。
上行外侧车道超重车比例具有较明显的季节变化趋势，每年8月份超重车比例达到最大（超重车比例>20%），每年2月超重车比例最小（超重车比例<10%）。
图5 长江大桥各月最大风速变化趋势图
结语
1. 上述大桥重点运营数据表明，长江大桥各项控制指标均在阈值范围内，台风、地震等突发事件均未对大桥结构造成影响，大桥处于良好的弹性工作状态。但外侧车道超重较为严重，年平均超重比例约为15%，夏季超重尤其严重，超重车辆通行可能会对桥面铺装及钢结构疲劳产生不利影响，在桥梁养护管理过程中予以重点关注。
2. 特大桥的健康监测系统，能有效地进行桥梁结构安全的实时监控，但是对于健康监测系统提供的数据或监测结果，如何更好地与养护人工检查检测数据结果相结合相印证，以此推断出一些病害的产生原因，并采取相应对策，仍有待进一步深入研究，以便更好地发挥健康监测系统为养护维修方案制定提供决策依据的作用。
本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2019年 第1期 总第5期
作者 / 朱明
作者单位 / 上海市政养护管理有限公司