西堠门大桥养护技术新进展展示

1、西堠门大桥养护技术新进展 介 绍 人:范厚彬浙江省交通投资集团沿海板块公司主要内容西堠门大桥工程概况悬索桥吊索振动观测及减振措施研究结构健康监测分析系统优化提升大桥主缆温湿度变化机理及预养护策略研究舟山跨海大桥舟山跨海大桥（又名舟山大陆连岛工程），是国家高速公路网甬舟高速公路（G9211）的主要组成部分。由浙江省交通投资集团控股投资建设，起自舟山本岛的329国道鸭蛋山的环岛公路，经舟山群岛中的里钓岛、富翅岛、册子岛、金塘岛至宁波镇海区，与宁波绕城高速公路和杭州湾跨海大桥相连接，全长46.29公里，2009年12月25日大桥正式通车。西堠门大桥 西堠门大桥是连接舟山本岛与宁波的舟山连岛工程五座跨

2、海大桥中技术要求最高的特大型跨海桥梁。主桥为两跨连续钢箱梁悬索桥，主跨1650米，是世界上最大跨度的钢箱梁悬索桥，全长在悬索桥中居世界第二、国内第一，设计通航等级3万吨、使用年限100年。项目于2005年2月1日国家发改委核准立项建设，2005年5月20日大桥正式开工，2009年12月25日建成通车。工程效益长期以来，因一水相隔，舟山孤悬海外，海岛经济受到极大制约。弃水登陆，直抵彼岸，成了舟山人心中越来越强烈的一个梦想。建设舟山跨海大桥，构筑出一条全天候的舟山大陆通道，使舟山从孤悬海中的岛屿，变成同大陆相连的半岛，成为大陆伸向海洋的港口城市，从而更紧密地融入长三角经济圈，实现了海岛同大陆的连接

3、，把发展海岛特色经济与大陆比较完善的基础设施网络密切结合起来，把中国最好的深水岸线资源与广大幅地密切结合起来，对进一步开发舟山海洋资源，推动浙江省、长江三角洲乃至中国经济发展都具有深远的意义。2010-2015年，年通行车辆数分别为279万辆、389万辆、453万辆、534万辆、602万辆、685万辆，分别同比增长39.43%、16.45%、17.88%、12.73%、13.86%，截至2015年底，累计通行车辆达2942万辆。积极开展科技创新工作项目建设期间，共有几十家科研单位参加了大桥科研工作，共投入1.4亿元科研经费。承担国家科技支撑计划项目1项，部、省科技项目22项，取得了一批技术先进

4、的科研成果。 国际领先水平以上的部分科技项目跨海特大跨径钢箱梁悬索桥关键技术研究及工程示范跨海特大跨径钢箱梁悬索桥抗风关键技术研究超长高强悬索桥主缆索股制造技术研究海岛气候条件下特大跨径悬索桥施工监控关键技术研究特大跨径悬索桥新型分体式钢箱梁关键技术研究主要科技获奖（工法、专利）情况浙江省科学技术一等奖1项上海市科学技术一等奖1项中国公路学会科学技术一等奖4项浙江省科学技术二等奖3项中国公路学会科学技术二等奖3项中国公路学会科学技术三等奖1项风场结果分析：加劲梁设计基准风速55.14m/s、加劲梁设计阵风风速63.96 m/s、桥梁颤振检验风速78.74 m/s、桥梁颤振临界风速88 m/s，

5、实测西堠门大桥桥面高度10min平均风速最大值24.2 m/s、桥面高度阵风风速最大值33.9 m/s。因此西堠门大桥的设计基准风速、阵风风速和颤振临界风速均远大于本次“海葵”台风实测风速结果；结构空间变形结果分析：在设计百年风作用下产生的主缆横向最大变形为10.1m，加劲梁为10.65m，远大于台风产生的主缆最大横向位移1.426m，加劲梁最大横向位移1.494m，完全处于设计的安全范围之内。风致振动分析： 在台风作用下，西堠门大桥的加劲梁振动表现为多模态随机抖振响应，没有监测到涡激共振现象；大桥在台风期间没有发生颤振和静风失稳等桥梁结构毁坏现象。根据西堠门大桥抗风设计标准，大桥加劲梁在“海

6、葵”台风作用下具有很好的安全性。从监测结果分析可知：“海葵”台风风速小于西堠门大桥、金塘大桥设计百年风速，结构变形、振动等各项指标均在设计允许范围之内，台风未能对大桥整体结构安全产生影响台风期间观测结果以2012年“海葵”台风观测为例2014年11月12日至13日，交通运输部组织了舟山连岛工程西堠门大桥竣工验收工作，经竣工验收委员会检查和评议，西堠门大桥竣工验收工程质量评分分别为96.37，工程质量等级为优良。 交竣工验收“菲迪克”杰出项目奖鲁班奖詹天佑奖古斯塔夫林德撒尔奖交通优质工程（李春）奖天府杯钱江杯工程获奖情况营运管理机制浙江省政府协调舟山、宁波两地确定大桥安全管理机制，成立了舟山跨海

7、大桥管理局，负责对大桥经营主体安全责任落实情况进行监督管理，组织、协调、监督大桥各相关行政管理部门职能，对大桥应急状态的处置进行统一协调。交通、公安、海事、港口、海洋与渔业、安全生产等行政管理部门按照各自职责依法负责大桥的有关监督管理工作。目前形成了由大桥管理局、高速交警、高速路政、海事、武警消防、交通公安、大桥经营业主等单位一路七方政企联动管理协调机制，构筑了结构安全、路上安全、海上安全等全方位综合立体的安全防护体系。 大桥管理局高速交警高速路政海事武警消防交通公安经营业主营运管理框架各联勤单位密切配合、高效联动、有效应对，通过加强管理和加大投入（舟山大桥投入养护经费总计1.4亿元）、充分依

8、靠科技支撑作用等措施，确保了大桥始终保持安全有序运营态势。近两年，大桥在浙江省公路局组织的养护管理检查评比中均获得第一名。 细致检查桥梁缆索结构清理伸缩缝大桥“体检”桥梁检测桥检车吹雪车天文望远镜灌缝车存在问题及原因分析大桥地处外海，结构复杂，再加上人的认识局限性，客观上决定了存在海洋腐蚀环境、强风强震、材料退化、养护措施不当、设计施工先天不足、意外撞击、车辆超载等许多因素，将给大桥带来不足和损伤，且随着时间推移，其发展趋势也将越来越明显。已知或未知的大桥许多养护技术难点问题，面临着既无现成规范可直接参考应用，也少有类似工程经验可借鉴的境地，这些难题有的还属于世界前沿性课题，有些问题要得到良好

9、解决，又涉及多学科、多专业交叉融合。 如何定性、定量分析结构损伤，掌握其发展演变规律，采取应对策略和措施，是摆在大桥养护管理工作人员，但又不得不回答的问题。一、西堠门大桥吊索减振技术应用研究2022/7/25浙江省交通投资集团沿海板块公司问题提出磁流变阻尼器减振试验模型风洞试验及分隔器减振方案优化分隔器减振方案的现场效果实测全桥吊索分隔器减振设计介绍主要内容西堠门吊索布置及构造（一）西堠门吊索布置及构造（二）吊点的吊索布置钢丝绳横截面单个吊点四段钢丝绳索吊索采用一个吊点4根钢丝绳的布置方式，每个吊点的布置方式及钢丝绳截面，钢丝绳顺桥向间距300mm，横桥向间距为600mm。长度l (m)恒载内

10、力N (kN)横截面积A(mm2)等效密度 (kg/m3)弹性模量(N/m2)钢丝绳中心距 (mm)160.563495.8396080001.11011顺桥向300横桥向 600代表性吊索基本参数表问题提出2022/7/25录像1录像2录像3台风“海葵”袭击时，大桥10分钟平均风速达25m/s。尽管西堠门桥吊索已安装减振器，但部分长吊索仍有大幅振动，大幅振动导致碰索，最大瞬时加速度达到2.058g。2022/7/25长期大幅振动造成阻尼器连接松动及损坏、吊索损伤和影响行车安全等问题碰撞损伤2022/7/25建立振动实时观测系统序号部件数量1加速度计941182风速仪23数据采集器CR1000

11、34信号电缆18为了准确分析吊索振动特性和评估减振效果，建立吊索实时自动观测系统。观测对象为西堠门大桥的2#与28#吊索，这是振动最大最频繁的吊索，每根吊索有四根索股，直径88mm，顺桥向中心距300mm，横桥向中心距600mm，基频0.42Hz。吊索振动形态分析微振动区大幅振动碰索区起振区（10秒） 28#吊索的2#钢绳顺桥向加速度时程曲线风速时程曲线28#吊索的一阶模态频率约为0.4Hz，周期约为2.25s。某天上午8点12分13秒时钢绳尚处于微振动状态，经过4个周期，就达到两钢绳相撞的状态，此时的风速仪记录的平均风速约为11m/s。钢绳加速度在相撞的瞬间立即改变方向。起振速度如此之快，是

12、吊索振动不同于斜拉索振动的根本特征，也是减振措施难以见效的主要原因。吊索的大幅振动的振动形态不能用“尾流驰振”，“涡振”等已有理论解释，更像是一种与风速变化几乎同步的随机振动，起振速度是斜拉桥拉索风雨振的10倍以上，其机理有待进一步研究证实。12月2日，发现边跨吊索都在低风速下出现高阶涡振现象。磁流变阻尼器减振现场试验目的：为西堠门桥吊索提供一种通过阻尼器耗能来减小吊索振动的减振技术。相比分隔器方案具有两大优点：不会对吊索索股造成损伤；安装高度较低易于检查维护。研究对象：跨中侧的2#索和边跨侧的28#索，索内拉应力最低，振动最严重，故选此二索作为磁流变阻尼器减振技术的研究对象。 现场试验吊索示

13、意图有支撑架的磁流变阻尼器现场试验在28#吊索安装了一个6m高的支架，同时将每根索股用两个阻尼器与支架连接，希望能抑制索股之间的相对振动和同步振动，但几次调试都没有达到防止两索股相撞的效果。无支撑架的的磁流变阻尼器现场试验无支撑架的试验主要在2#吊索上进行，目的是抑制索股之间的振动，防止顺桥向相撞。经过多次调整阻尼器参数和安装高度，但无法抑制两索相撞的振动。2#吊索试验现场下为阻尼器上为加速度计由于吊索起振速度非常快，要及时将能量耗散掉，阻尼器必须具备很大的阻尼系数；但是两钢绳之间横向刚度小，阻尼系数过大以后会接近刚性支撑，阻尼器效率无法发挥。这是一对无法解决的矛盾。试验时，我们已在安装高度6

14、14m，阻尼系数0.32.0 kNs/cm 的范围内进行了减振效果对比试验，实测阻尼比达到1.5%以上，这已是斜拉索减振要求的2.5倍，但仍然没有抑制住吊索振动基于上述，似可以认定：单一的阻尼器措施无法解决西堠门桥吊索振动问题。现场试验小结桥塔两边的两对吊索振动最大，两绳相撞的情况在10m/s的风速下就会发生，而且大风下中部相撞长度可能超过50m。如考虑安装分隔架，可能出现大风下吊索整体摆动和扭转的情况，设计时应尽可能考虑这一因素。为吊索减振技术提供尽可能多的参考依据，建议进行吊索室内风洞试验和理论分析，。振动形态分析与现场试验后的几点建议室内风洞试验为确认吊索各索股之间振动的形态，在风洞中重

15、现吊索大幅振动和碰索试验。包括吊索刚性节段模型和吊索完全气弹模型风洞试验。吊索刚性节段模型风洞试验吊索完全气弹模型风洞试验室内风洞试验小结进行了吊索完全气弹模型风洞试验，在风洞中重现了吊索大幅振动及碰索情况，其中以位于尾流区的吊索振动最为明显；并且在各来流风向角中，以15度风偏角时振动最大；当沿吊索高度均匀设置1道和3道分隔器时，在风洞中还观测到了相邻分隔器之间的索股局部大幅振动，并造成碰索；当设置4道分隔器后，没有观测到吊索碰撞现象，此时拉索振动加速度响应的频谱图没有卓越频率，表现为多模态的随机振动，因此建议设置4道分隔器；采用4道分隔器后，在80度风向角下观测到了第5阶模态的尾流驰振现象，

16、换算到振型最大点的驰振位移均方根值为22mm，位移很小，不会发生碰索现象。分隔器现场试验依据风洞试验结果，在N28和N2吊索沿高度方向均匀安装了4道分隔器，对安装分隔器前后西堠门桥N28和N2吊索的实测加速度响应分析，得到如下结论：当N2吊索没有安装分隔器时，尾流驰振起振风速约为89m/s，起振后吊索很快发生碰撞，碰撞时加速度峰值达到16m/s2；N2和N28索安装分隔器后，在几次大风下都没有发生碰索情况，其最大加速度响应由未安装分隔器时的16m/s2降低至3.54m/s2，减振率将近80%，吊索运动的相对加速度和绝对加速度也显著减小；安装分隔器后在一分钟平均风速25m/s下N2和N28吊索的

17、位移最大值在2cm3cm区间，个别最大位移达到4.7cm，但都不会出现碰索情况。分隔器结构全桥吊索减振设计方案设计的基本思想：按各吊索的最低频率和索力值确定分隔器内索段最大长度，从而确定所需的分隔器数量。分隔器数量吊索编号吊索长度41N-5N（主跨）， N25-N29（边跨）138-169m36N-11N（主跨），N21-N24（边跨）110-134m212N-17N（主跨）， N15-N20（边跨）71-103m118N-24N（主跨）， N9-N14（边跨）40-70m025N-45N（主跨）， N1-N8（边跨)小于40m全桥半跨吊索的分隔器设置数量分隔器安装位置示意图3 系统特点介绍1

18、 系统背景4 系统展望2 系统总体介绍二、结构监测数据分析系统优化提升西堠门大桥建设之初，基于交通运输部以及浙江省交通运输厅关于大型桥梁运营期结构安全的信息化监管要求，已设计并构建了基于动态实时监测的桥梁健康监测系统。西堠门大桥监测系统应用现状系统背景系统的目标是服务桥梁的日常管养，实时监管并掌握大桥代表性构件的结构使用状态，从而达到科学合理地评估全桥结构安全的目标。 原始数据传感器数据分析结构评估但根据监测系统目前的实际应用情况，对于系统所获海量数据基本只是做到实时显示和妥善存储的程度，监测系统虽然大都建立了结构安全评估模块，从实际操作和最终结果方面来看，在实用性和可靠性方面还不够理想。系统

19、背景监测系统应用现状操作繁锁、实用性有待提高数据显示形式单一、图像查看功能薄弱存储数据量大数据处理与安全评估相互独立系统不足评估内容单一数据处理过于简单系统背景监测系统应用现状 因此，需要进一步从结构安全评估角度出发，对实时监测数据进行全面梳理、深入挖掘和精细分析，针对大桥管理养护工作的需求开展研究，建立实用的动态监测数据分析系统。系统背景监测系统应用现状系统总体架构系统总体概况西堠门大桥结构监测数据分析系统数据分析结构评估荷载整体响应关键构件响应荷载与响应组合静力评估疲劳分析动力评估台风事件分析系统介绍本系统针对当前大跨桥梁结构监测系统在原始数据与后续显示与结构评估之间分析手段缺失的现状，研

20、究并给出了适用于当前大多数大跨桥梁结构监测系统数据的压缩与分析方法。系统总体概况系统介绍系统总体概况使处理后的监测数据有效的反映了当前的桥梁状况；使处理后的数据与原始数据相对其容量大幅减少；使得后续的数据显示和结构评估只需调用经方法处理后的数据，结构评估工作的效率将大幅提高；系统总体概况系统介绍某一专项开展内容单一工程实用性不强当前主流结构评估面临的问题：随着监测系统运用的深入，桥梁随时间的变化，对于数据关注点不同而增加其他专项评估模块，可构建出全面整体的结构安全评估体系。系统总体概况系统介绍结构评估静力评估疲劳分析动力评估台风事件分析常规评估专项评估涡激振动分析。解决方案系统特点介绍数据处理

21、自动准确传感器状态智能预警结构评估一键式操作界面友好 扩展性强数据展示形式丰富特殊事件分析时效性强系统特点介绍数据处理自动准确定时自动下载数据、处理保存。根据数据情况，对已明确的异常进行处理，包括风速数据去0值，车流量数据去重复等。根据不同数据类型的特点，采用多种显示方式，包括曲线图、动态图、柱状图、饼状图等。从大量实测数据中拟合出针对于两座跨海大桥的荷载响应的真实相关性，为后续结构分析做进一步深层的数据研究。系统特点介绍数据展示形式丰富系统特点介绍车重分布饼状图拉索索力动态柱状图主梁挠度动态曲线图风速多曲线对比图超速车流量柱状图累加图与时间曲线图主跨跨中挠度-温度相关性散点图模型计算与实测计

22、算相关性曲线系统特点介绍2014年全年的挠度与温度数据传感器状态智能预警系统特点介绍通过数据异常率和缺失率两大指标判断传感器当前的工作状态是否正常，并通过颜色的变化提示工作人员应对不正常的传感器进行及时的检查与维护。缺失率异常率传感器管理系统特点介绍颜色预警一键式结构评估系统特点介绍将数据分析与结构评估有机结合，评估过程采用matlab语言编译，并嵌入到系统所用的java语言中，提高SQL数据库海量数据提取的速度，使得一键式结构评估得以实现，并且使用舒适度得到认可。一键式结构评估系统特点介绍海量数据处理一键式结构评估服务Matlab程序嵌入java语言SQL海量数据的快速提取难点难点评估过程采

23、用matlab语言编译重点关键响应点的评估结果一键式结构评估系统特点介绍只需用户输入时间，点击评估即可。一键式结构评估系统特点介绍只需用户输入时间，点击评估即可。特殊事件分析时效性强系统特点介绍台风登入期间台风结束后及时台风结束后三天台风事件分析模块及时观测到台风风速风向信息以及桥梁结构关键指标（挠度、索力等）的变化情况。台风数据初步分析报告台风数据详细分析报告 采用JAVA语言开发，基于B/S结构，可多个客户端同时使用 自主研发，模块化开发，可扩展性强 界面友好系统特点介绍界面友好 扩展性强数据分析部分开展数据分析系统的实际运行工作，不断完善系统的各项功能，特别是查询与显示方面的功能，加快系

24、统朝着商业化软件方向完善的步伐。集成桥梁各类监测数据，与监测系统数据共同分析，提高桥梁各类数据的利用率。系统展望结构评估部分 继续深入研究钢箱梁疲劳受力特性； 考虑开展其它专项评估研究，如：主缆湿度变化机理研究、大桥风场特性研究等。 系统展望系统使用情况桥面传感器风速时间曲线图风速风向散点图主梁最大挠度:0.742m主缆最大挠度:0.727m最大风速：26.88m/s主梁1/2处横向变形主缆1/2处横向变形风向：东北转西北三、西堠门大桥主缆内部湿度变化机理及预养护策略研究主缆的重要性：悬索桥的主缆无法进行更换，因此主缆的寿命决定着悬索桥的使用寿命，是悬索桥的“生命线”。悬索桥的主缆如果长期处于

25、潮湿易腐蚀的环境中，很可能生锈断裂而影响大桥的安全；国内外通过对悬索桥的主缆检测，发现采用传统防护方式的主缆钢丝都受到了不同程度的腐蚀。 主要包括：主缆底部存有积水；主缆内部湿度较大；主缆的侧面和下部有明显的腐蚀；钢丝的锌皮耗尽；强度损失。主要原因：主缆架设时附着在主缆上的水分不能排出；运营期内渗透进主缆的水分被密封在主缆内；主缆锚固区内部散索股部分防腐措施满足不了防腐要求。问题的提出问题的提出防腐方法：漆线包裹法；合成覆盖层法；缠绕S形钢丝。传统主缆防护方法短期内有效，但是长期效果并不不理想。问题的提出项目概要日本学者研究发现：主缆内部RH60%免遭锈蚀除湿系统美国，英国法国，丹麦土耳其，瑞

26、典挪威，日本等润扬长江大桥泰州长江公路大桥南京长江第四大桥星海湾跨海大桥除湿法67西堠门大桥主缆结构西堠门大桥主缆技术参数：主缆采用预制平行钢丝索股169股；索股由127根直径为5.25mm、公称抗拉强度为1770MPa的高强度镀锌钢丝组成；索夹内直径为860mm（北边跨）、845mm（中跨）和850mm（南边跨）； 主缆防护设计方案为：4mm镀锌缠绕钢丝+涂装防护，也属于传统的主缆防护方法。西堠门大桥主缆西堠门大桥设计使用年限为100年，而悬索桥的养护特别是悬索桥主缆的养护及其耐久性是决定西堠门大桥服务时间能否达到设计使用年限，并且安全运营的重要因素。研究西堠门大桥主缆及锚固区内部湿度变化机

27、理，提出预养护策略迫在眉睫。主缆无法更换研究思路研究内容以数值模拟方法研究温湿度变化机理以室内试验验证数值计算研究成果以现场监测修正温湿度变化机理以经济性最优制定主缆预养护策略主缆内部湿度变化机理的理论基础Darcy定律，描述了多孔介质内单相流体压降与流速之间的关系。Darcy定律公式如下: 水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比；Fick定律:在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比。Fick定律公式如下： 浓度梯度越大，扩散通量越大主缆内部气态液态水的扩散、流动、渗透等物理过程，与非饱和土中的水分的

28、传输具有相似性。 将主缆的钢丝、空气、外包钢丝、乙烯带或橡胶防腐带、外表面涂层等处理成固体、液体、气体三相混合物。主缆钢丝模拟成单一颗粒考虑钢丝之间接触的随机分布模拟温度变化、水分流动、毛细作用以及水-汽的运移和湿度的截面扩散规律。主缆内部湿度变化机理的理论基础主缆内部气态液态水的扩散、流动、渗透等物理过程，与非饱和土中的水分的传输具有相似性。 将主缆的钢丝、空气、外包钢丝、乙烯带或橡胶防腐带、外表面涂层等处理成固体、液体、气体三相混合物。 现场主缆及锚固区温湿度变化监测研究测点布置选择两个索鞍和一个锚固区布置传感器，其中索鞍各安放3只传感器，锚固区安放6只传感器。 锚室 为温湿度传感器 温湿度传感器主缆及锚固区温湿度变化场内模型试验进行主缆室内模型试验，并对模型温度湿度变化情况进行监测，利用监测数据验证并完善数值模拟的温湿度变化机理研究成果，为西堠门大桥主缆温湿度变化机理提供准确的试验支持。制作一段主缆模型（直径40cm左右，长度5m，包含2个索夹）。内部布置温湿度传感器，配置采集设备，对内部温湿度、外部温湿 度等环境进行监测。制作一相对封闭的环境模拟房，模拟外界风、雨的环境。通过为期1年左右的监测，获得模型内部温湿度变化规律及受外部环境影响的内在机理。温湿度传感器环境模拟房雨雾器鼓风机6m2m2m1#截面器2#截面3#截面主缆试验段太阳灯4#截面主缆模型采用与西