泰州长江公路大桥是世界上首座跨径超千米级的三塔两跨悬索桥，自开通运营以来，大桥管理单位即在主桥上安装了桥梁健康监测系统，并在随后几年对其进行多次升级改造。监测系统在大桥运营过程中，采集到大量环境、作用、结构响应等监测数据，对这些数据的分析，有助于养护技术人员对大桥的结构状态进行评估，为大桥的养护提供科学指导。
独特结构与复杂受力
泰州长江公路大桥位于江苏泰州与镇江、常州市之间，东距江阴长江公路大桥57公里，西距五峰山长江大桥28公里，是江苏省重要的过江通道工程，对完善国、省干线公路网，加强泰州、镇江、常州的交流，促进长江两岸区域经济的均衡发展和沿江开发开放，改善长江航运条件具有积极的作用。
泰州长江大桥为三塔两跨悬索桥，主跨2×1080m。主缆矢跨比为1/9，两根主缆横向中心间距为35.8m。中塔采用纵向人字形、横向门式框架钢中塔，塔高200m。边塔为混凝土结构，塔柱采用矩形断面。加劲梁为扁平流线型全焊接钢箱梁，梁高3.5m，全宽39.10m。
泰州大桥设计车速为100km/h，汽车荷载等级为公路I级，设计基本风速为桥位处10m高度100年重现期10min平均最大风速为31.9m/s；与汽车荷载组合的风力按桥面风速25m/s计算，超过25m/s不与汽车荷载组合。
图1 泰州大桥主桥结构示意图
泰州长江公路大桥气势宏伟，结构新颖，从桥梁设计及受力分析角度来看，具有以下特点。
从桥梁形式来看，大桥是一座三塔两跨地锚式悬索桥，极具突破性，在一定程度上实现了结构与景观的和谐统一。
从结构体系来看,泰州大桥主梁纵向受弹性索约束,竖向受竖向支座及吊索联合约束,横向受抗风支座约束。
从结构组成来看，多塔悬索桥的结构布局，是以多塔支承的连续主缆，在首尾两端固定于锚碇，和加劲梁构成悬吊体系，在恒载均匀分布于全桥的条件下，各塔的塔顶不出现顺桥向水平位移。在活载作用下，各塔的塔顶根据其所在位置的不同，都会发生大小不同的顺桥向水平位移，以平衡主缆中所承受的水平拉力。
从构件来看，大桥建成时，其中塔是世界上最高的纵向“人”字形、横向“门”式框架钢塔，钢结构重达12000吨。在任何工况下，均要求保证主缆在中塔主鞍座间不发生相对滑移。若中塔刚度较小，中塔顶两侧主缆不平衡水平力较小，主缆的抗滑移安全系数易于实现，但加载跨主缆垂度大，主梁的挠跨比较大，行车安全不易保证；如中塔刚度大，主梁的挠跨比易于满足要求，但中塔顶主缆不平衡水平力大，可能因鞍槽与主缆束股间的摩擦力不足而造成滑移。
泰州大桥独特的结构形式及复杂的受力状况，使得大桥的日常养护变得尤为重要，尤其是全面、翔实把握大桥的结构状况，对于大桥的预防性养护具有十分重大的意义。
监测系统的布局与优化
在泰州大桥建成时，便安装了桥梁健康监测系统，对大桥的结构响应状况进行实时监测。泰州大桥原运行的“结构安全监测系统”(以下简称：原系统)，于2012年完成工程施工并进入运行阶段。原系统的监测内容包括：风速风向监测、空气温湿度监测、主梁线形及主塔位移监测等。
在2017年，泰州大桥对原系统中的全桥整体位移监测系统（GNSS）进行了升级维护；2019年，进行了首期结构安全监测系统升级改造工程；其后几年，根据大桥养护管理实际需求，“有规划、分批次”地对大桥监测系统进行了升级改造。
2022年，根据交通运输部《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》及《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037-2022）等文件要求，结合泰州大桥的结构形式、环境特点，按照自主可控、先进适用的原则，泰州大桥对健康监测系统测点布设进行了优化设计。
图2 泰州大桥健康监测系统测点布置图
利用关键数据分析特殊工况
自2012年泰州大桥结构健康监测系统实施以来，监测系统累计采集了约1T的监测数据，对桥梁状态把控、安全预警与运营维护起到了重要作用。这些数据记录了大桥每一次台风、地震、堵车等特殊工况下结构的状态。
基于监测系统采集到的海量监测数据，从信号处理与数据挖掘的角度对其进行分析，是桥梁安全评估、趋势预测的宝贵资料。对这些特殊工况数据的分析，不仅能够进一步了解大桥结构状态，还能促进健康监测技术的发展。
节假日挠度监测
泰州大桥自建成通车以来，车流量呈逐年增长趋势，日益增长的交通量不可避免地会对大桥结构产生影响，尤其是节假日期间，对大桥车流量的实时监测、对大桥结构响应的实时分析，对于保证通行车辆及大桥结构的安全具有重要意义。
图3 车流量与挠度平均值关系
当日，泰州大桥主梁挠度最大值为1.093m（设计最不利工况主梁跨中挠度为432cm），在北跨跨中，相应主梁线形如图4。
图4 最大挠度时主梁线形
此时，泰州大桥中塔塔顶顺桥向位移也达到最大值，为41.2cm（设计最不利工况中塔塔顶顺桥向位移为182cm），主梁跨中挠度与中塔塔顶位移有着较好的相关性，桥梁结构状态较好。
大交通跟踪观测
在道路上，车辆事故导致的交通拥堵是较为常见的现象，当交通拥堵发生在桥梁上时，短时间内交通荷载的变化会产生较为明显的结构响应。下文以2021年11月份一次大挠度中BD传感器子系统获取的主梁位移的变化情况为例，进行数据分析。
图6 行驶方向示意图
图7 车辆速度测算
将该重车队视为加载车，通过南北两跨各测点位移影响线可知其对称性较好，符合大桥受力特征，说明大桥结构状态良好。
台风跟踪观测
大风，尤其是台风，对桥梁的影响是多方面的，桥梁结构因风荷载而遭受破坏的事故屡见不鲜。泰州大桥健康监测系统在2019年，即安装了风速传感器，对大桥所处的风环境进行实时监测。下文以2022年9月的台风“梅花为例”，对其过境期间的监测数据进行分析。
台风“梅花”9月15日3时10分前后进入苏州太仓境内，以每小时30公里左右的速度向北偏西方向快速移动，强度逐渐减弱。在此期间的台风路径中，台风中心距离泰州长江公路大桥最近约124km。
泰州长江大桥在台风“梅花”从江苏过境期间，在9月14日-15日上午10时之间的风速数据如下：北跨中下游风速最大值大约发生在15日上午6时及15日上午8时左右，瞬时风速最大值为V=17.14m/s，两分钟平均风速最大值为V2=12.47m/s（6级风），十分钟平均风速最大值V10=为11.64m/s。从历史数据对比来看，其北跨中下游瞬时风速、两分钟平均风速、十分钟平均风速也远低于历史最大值。
塔顶风速最大值大约发生在14日上午6时及15日上午6时左右，瞬时风速最大值为V=32.73m/s，两分钟平均风速最大值为V2=24.02m/s（ 9级风），十分钟平均风速最大值V10=21.72m/s。从历史数据对比来看，其北跨中下游瞬时风速、两分钟平均风速、十分钟平均风速也远低于历史最大值。
较大的瞬时风速通常会对结构及构件的动力响应产生较大影响，两分钟平均风速通常作为桥面行车安全控制指标，作为桥梁封闭交通或限制交通时的风速控制值，其主要源自《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01—2004）第4.1.3条规定：“当风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速可取25m/s”。且根据相关文献研究，此时对于中轻型客车，当速度超过100km/h时，即使在干燥路面上行驶也存在较大行车风险。因此此时可认为对于桥面行车已带来较大风险，并可能损伤结构附属设施，因此应注意较大风速对大桥带来的影响。但通过监测数据可知，台风过境期间泰州长江大桥南北跨上下游风速并不大，均处于正常范围内。
此外，为了评估“梅花”台风导致的大风速对桥梁结构的安全性是否有影响，引用阵风系数。阵风系数定义为1 h内某时间长度（如3 s）内的平均风速的最大值与每小时平均风速的比值，即：G(t)=(t)*-1
式中：(t)为t时间内的平均风速，一般取1～3 s。随着时间的增加，阵风系数越来越小。在一定期间内，越大的阵风系数表示越高的脉动风速。阵风系数表示脉动风速的大小，因此，当风速较小时，较大的阵风系数代表的脉动风速也不会超过桥梁的设计风速，而当风速较大时，较大的阵风系数代表的脉动风速将更大，有可能超过桥梁设计风速，从而导致桥梁结构受到损害。泰州长江公路大桥9月份期间阵风系数与60 min平均风速关系如图8所示。根据统计数据可知，9月15日风速最大期间主塔塔顶的阵风系数仅约为1.8。因此“梅花”台风期间的脉动风速对泰州大桥结构的安全性能影响很小。
图8 大桥桥面阵风系数与60min平均风速关系
振动分析
现代桥梁不断向长、细、轻、柔、低阻尼的方向发展，其对风荷载的作用越趋敏感。桥梁的风致振动问题已成为大跨度及超大跨度桥梁强度、刚度和稳定性设计的制约因素，对于大跨度斜拉桥和悬索桥，主梁和缆索在运营期间都可能发生涡振。
2020年，国内出现大跨柔性体系桥梁涡振的现象，有鉴于此，特选取泰州大桥部分健康监测数据进行了主梁振动及其模态分析。以当年度5月份监测数据为例，通过对5月5日至7日的风速数据进行统计。2020年5月份泰州大桥泰州跨和扬中跨风速一致性较好，虽较环比数据有所增加，但瞬时风速最大值均小于10m/s，2min平均风速最大值为9.36m/s，为5级风（清劲风），风力等级较小。
图9 扬中跨主梁频谱及环比分析
图10 泰州跨主梁频谱环比分析
图9、图10为泰州大桥当年5月份扬中跨主梁频谱分析。由图可知，扬中跨主梁前三阶频率较环比数据基本无变化。其中，扬中梁1阶振动频率为0.1172Hz，较环比数据基本无变化；2阶频率为0.1651Hz，与环比数据持平；3阶频率数据为0.2198Hz，环比数据为0.2188Hz，基本持平。因此，泰州大桥结构形式并未呈现异样或发生较大变化。同理，泰州跨主梁前三阶振动频率亦无变化。
图11 索力频率变化（一至五阶）
图12 索力频率变化（六至十阶）
图12为泰州大桥近塔侧某一长吊索的频谱数据分析。通过数据可知，各阶频率保持稳定，能量主要集中在第四阶至第八阶，稳定无明显变化。
泰州长江公路大桥健康监测系统，采用现代化的传感技术、测试技术及计算机和通讯技术，对大桥所处工作环境和各种使用荷载下的结构性能，进行实时监测和评估。系统通过实时采集大桥在运营状态下的各种数据和信号，获取反映桥梁健康状况的特征信息，为大桥养护管理提供技术依据，对大桥的安全可靠性作出评价。大桥健康监测系统的建立，起到了科学指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固的作用，较大地提高了大桥的整体管理技术水平，可节约后期维护经费，对保证大桥的正常运营具有重要的意义。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志
2023年 第1期 总第21期
作者 / 金世安
作者单位 / 江苏泰州大桥有限公司
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
责编 / 裴小吟
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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