温度与斜拉桥跨中挠度的关联性分析

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1、66桥梁结构城市道桥与防洪2013年12月第12期温度与斜拉桥跨中挠度的关联性分析李雪莲(天津市市政工程设计研究院，天津市300051)摘要：温度作为一项重要的环境输人，对桥梁结构状态的影响是不容忽视的。以东海大桥健康监测数据为工程背景，对大气温度、结构温度和跨中挠度数据的相关分析和相干分析，结果表明：结构温度与大气温度以及桥梁跨中挠度与大气温度具有明显的时间滞后效应，且通过功率谱分析发现挠度数据对结构动力响应不敏感，主要能量集中在低频部分。采用可以计入时滞效应的ARX模型建立跨中挠度与大气温度之

2、间的互相关模型，并用其预测由温度作用产生的跨中挠度，通过与实测值对比对模型进行了验证，结果表明此模型可以很好地描述模拟温度与跨中挠度之间非线性关系。此模型可将温度作用产生的挠度值从总挠度中分离出来，为挠度评估奠定基础。关键词：健康监测；ARX模型；温度；跨中挠度中图分类号：U448．27文献标识码：A文章编号：1009-7716(2013)12-0066—040引言大跨径桥梁在国家交通运输系统中承担着重要角色，其安全与否关系到国家的经济命脉。鉴于其重要性，我国已有上百座桥梁安装了桥梁健康监测系统⋯

3、，监测内容包括温度、风荷载、跨中挠度、应变、位移、索力等。随着时间的增长，采集到的数据量也与日俱增。如何有效地利用如此海量时间／h的数据仍是值得探讨的课题。(a)24h大气温度时程图挠度是反映桥梁结构整体综合性能的最直观、有效的指标之一。因此，主梁跨中挠度的监测是桥梁健康监测系统重要的组成部分。然而，健康监测系统监测到的桥梁跨中挠度是各种外界环境因素综合作用的结果【21，这包括：温度荷载、车辆荷载、风荷载、混凝土收缩、徐变、墩台沉降等，其中温度荷载对跨中挠度的贡献不容忽视。通过大气温度与跨中挠度时

4、程图不难发现：温度与跨中挠度具有一定的负相关性，且对应关系有时间滞后(b)24h跨中挠厦时程图图1东海大桥主航道桥跨中挠度与温度的时程图效应。2008年2月1日东海大桥主航道桥跨中挠度与温度的时程图如图1所示。因此，分析温度与其中主航道段监测内容有：气象、结构温度、应变、跨中挠度数据的关联性，进而推断温度对跨中挠伸缩缝位移、梁塔加速度、索力、梁塔位移等。其跨度的影响是必要的。中截面大气温度、结构温度、GPS传感器的布置见东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大图2。GPS采集仅桥，总长约32km，其

5、中海上段约28km。东海大桥f-采用双向六车道设计，设主通航孔一座，为双塔单索面半漂浮体系叠合梁斜拉桥，共由5跨组成，主跨420in。为保证东海大桥交通畅通和提高大桥的维护管理水平，东海大桥上安装了健康监测系统，收稿日期：20l3一O7—3l作者简介：李雪莲(t986一)，女，天津人，助理工程师从事桥梁设计工作。图2主航道跨中截面传感器布置(单位：mm】2013年12月第12期城市道桥与防洪桥梁结构67东海大桥健康监测系统自2006年9月正常营上部，未接受阳光直接照射，结构升降温滞后于大运以来积累

6、了大量的监测数据，这些数据是进行气温度，见图4。结构状态分析及数据关联性分析的重要依据。2大气温度与结构温度一东海大桥主航道跨中截面上的温度传感器分-．{91in1为三类：大气温度传感器、钢结构温度传感器和混．-_凝土温度传感器。若将桥梁作为一个系统，则大气●{rf．_温度可看作为输入，钢结构温度和混凝土温度可-r＼1√_看作输出。以2008年2月的温度数据为例，其输．{．／’入和输出的时程图如图3所示。_时间间隔／h(a)大气温度与钢结构温度互相关函数●21cm．ln-_《-●．{J’1{--J

7、／几＼，_．L_(a)大气温度与钢结构温度(b)大气温度与混凝土结构温度互相关函数图4大气温度与结构温度互相关分析图p根据互相关系数的定义，其公式为：(t)=蛹(0)、／丽’由于温度作用不同步效应的存在，则考虑不同步效应后的相关系数定义为：(t)=—=兰==，则此时相关系数分别为0．9237时间／dx／cA0)(0)(b)大气温度与混凝土温度和0．9725，较之前计算有所提高。由此可见，进行图32008年2月大气温度与结构温度时程图与温度相关的结构状态分析时，要充分考虑温度由图3可以看出，结构温度

8、与大气温度数据变的不同步效应。化趋势十分相似，其相关系数分别为0．8827和3温度与跨中挠度相关分析0．9579，可见结构温度主要由大气温度作用决定。从幅值上看，钢结构温度和混凝土温度均略高于结构温度传感器所测得的数据为大气温度作大气温度，其中最高温度分别高于大气温度2．8℃用于桥梁结构的输出，且在结构不同截面上存在和5．7cC，且各类温度数据之间均存在不同步效温度梯度，因此，结构温度传感器所测得的数据仅应。由相关性分析可知：混凝土结构温度超前大气温能代表结构局部温度，无法代表全桥