【讲座回顾】大跨悬索桥梁温度作用监测、模拟和分析

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第六十二期，我们邀请到来自香港理工大学土木及环境工程学系的夏勇教授为大家带来“大跨悬索桥梁温度作用监测、模拟和分析”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

随着土木工程技术的不断进步，高层建筑和大跨度桥梁越来越多。结构在服役期间不仅要满足承载力的要求，同时还要满足相关的功能性需求，而近些年随着全球气温的不断上升，高温对结构的不利影响愈发收到人们关注。结构健康监测指通过在结构上加装传感器，对其荷载、环境和响应进行实时监测，以评估其在不同荷载作用下的性能，验证和修正其数值模型和设计准则，探测可能出现的损伤和老化，知道后期的检修和维护。

目前关于大跨桥梁温度作用的研究局限于建立结构响应与几个测点温度之间的相关关系；而对结构整体温度分布、温度与结构响应的定量关系以及温度作用的机理研究较少。本次报告中夏老师以多座大跨及多跨悬索桥为例，主要围绕以下四个方面开展：结构健康监测简介、大跨悬索桥梁温度作用现场监测、大跨悬索桥梁温度作用数值模拟和大跨悬索桥梁温度作用理论分析。

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首先，夏老师简单向我们介绍了结构健康监测。结构健康监测系统构成主要包括5个子系统：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构健康数据管理系统和结构健廉评价系统。土木工程结构健康监测是土木工程与多学科交叉的一个新领域，融合了结构、传感、通讯、信号处理、控制、计算机、管理等学科，又与大数据、机器学习等热门专业密切相关。夏老师课题组近些年来参与了较多大型结构的健康监测，如香港青马大桥、香港昂船洲大桥、港珠澳大桥部分桥段和港理工行人天桥监测系统、广州塔和上海中心大厦等。

随后，夏老师以青马大桥健康监测系统为例，介绍了大跨悬索桥梁温度作用现场监测，共采用了包括风速计、加速度计、温度计等在内的276个传感器；其中，共计115个温度传感器用于测量桥梁的环境温度、截面温度和主缆温度。夏老师分别介绍了传感器布置的策略，以及传感器数据分析结果。主缆温度传感器使用光纤制成，并在施工时将其布置在桥梁主缆之中；环境传感器负责监测大气温度，分别布置于主缆、箱梁和底板之上；同时在桥面板和桁架上也布置了许多温度传感器。将温度传感器与位移传感器获得的数据相结合，对二者的相关性进行分析，进而揭示温度和结构响应的变化规律。监测结果表明，桥梁跨中位移最大能达到两米。夏老师表示，现场监测只能得到传感器测点处的温度、响应以及它们之间的相关关系；但是结构的响应是与所有点的温度有关的。少量传感器无法揭示温度的分布、以及温度与响应之间的定量因果关系。因此需要通过数值模拟技术来研究悬索桥梁的温度作用。

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接着，夏老师向我们介绍了他在大跨悬索桥梁温度作用数值模拟方面开展的相关工作。通过热传导方程可对桥梁结构的悬索桥梁的温度作用进行模拟，边界热交换条件包括对流、热辐射和日照，其中由于太阳的直射角度在一天中有所不同，因此是最复杂的变量。

使用有限元对关键部位的结构构件进行建模并对传热过程进行模拟，通过与实测数据进行对比可以发现模拟结果较好地反映了温度随时间的变化，证明数值模型及边界条件的设定较为准确。青马桥的有限元模型分为桥面板模型(8,932个节点、6,720个单元)、横向架 (24,242个节点)、桥塔(23,969个节点、20000个单元)，以桥塔为例，温度由外向里逐渐变化，中间温度基本恒定，有限元结果与实测结果对比，发现结果基本一致。随后，将局部模型计算得到的温度输入到全桥模型，计算温度引起的响应，包括位移和应力。通过有限元分析得到的桥面梁跨中一天温度引起位移，发现纵向位移最大能有200 mm，横向位移变化不大，竖向位移受温度影响较为明显。

夏老师总结到：相比于对监测结果回归分析时只能得到桥梁温度与响应之间的定性关系的，数值计算可以得到全桥任意点的温度和响应，但是，数值计算缺乏普遍性，难以分析温度作用的内在机理，同时需要大量的计算时间或者长时间的监测。因此，需要对大跨悬索桥梁温度作用进行理论分析。

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在理论分析阶段，夏老师首先建立了三跨悬索桥的计算模型，对温度变化下的塔顶水平位移、塔顶竖直位移和主缆跨中垂度进行了计算和分析。其中，梁受温度影响为自由伸缩，通过假定塔伸缩模式，分别推导计算塔顶水平位移、竖直位移和主缆跨中垂度。夏老师详细介绍了主缆跨中竖向位移、主缆长度的推导过程，从而得到主缆跨中垂度的变化和塔顶水平位移的计算方法。通过简化，假设桥塔与主缆温度变化相同，忽略微量，最终得到了简化的位移统一计算公式。

以青马桥塔顶水平位移和主缆跨中竖向位移为例，夏老师对比了计算结果和不同悬索桥的实测数据，可以发现，理论计算和实际监测结果体现出了较好的一致性，这表明推导的简化公式具有较高的准确性。同样地，明石海峡大桥的数据分析结果也表明了所提出位移计算公式的适用性，与实际监测误差在10%以内。

除三跨悬索桥外，夏老师采用相似的方法，对多跨悬索桥建立了理论分析模型，得到相应的位移统一公式，通过马鞍山长江大桥，对理论模型计算结果进行了验证。

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最后，夏老师向我们分享了他们所建立的香港理工大学行人天桥监测可视化系统，通过公众展示平台，学生和行人可以通过网络进行访问和了解，对桥梁的设计、建造过程以及相关监控数据进行查看。

总结

夏老师的研究从大跨度悬索桥出发，通过监测+模拟+分析的完整流程，推导出温度作用下结构变形的普适性公式，拓宽了传统结构健康监测的道路，给现有研究提供了很好的参照和思考。他的研究不仅具有非常深的理论深度，还能将研究成果转化为人们日常能够接触到的形式，参与到研究结果的互动中，将结构健康监测变为看得见摸得着的形式，增加了人们的参与感和结构安全意识，非常值得我们学习。

在桥梁信息化、智能化的不断发展的今天，桥梁监测系统在多学科交叉的背景下，也迎来了新的春天。智慧工具与理论分析的支撑，也将对桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命起到至关重要的作用。我们也期待着夏老师描绘的理论分析、模型试验、数值模拟与结构健康监测，一起成为土木工程学科发展的四轮驱动，带领桥梁工程驶向更远的未来。

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相关论文请到夏老师主页下载：

https://www.polyu.edu.hk/cee/people/academic-staff/prof-yong-xia/

讲座录播链接：https://b23.tv/LMOwXI3

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠