传感器大桥 头顶“中国结”，用钢量超仨埃菲尔铁塔！京雄大桥美颜亮相
头顶“中国结”，用钢量超仨埃菲尔铁塔！京雄大桥美颜亮相
北京日报客户端 | 记者 孙宏阳 邓伟
永定河上，一座崭新的白色特大桥，犹如“飞虹”展雄姿，成为京西新地标。12月6日，京雄高速北京段标志性工程——京雄大桥完成梁体景观涂装，为冬日里的京西山水增添了一抹亮色。待大桥完成静载试验后，双向八车道的京雄大桥，将迎接京雄高速贯通后的车流。目前，京雄高速北京段全线贯通进入倒计时。
跟随工程车，驶入京雄高速五环至六环段，可以看见平坦开阔的路面上方，交通标志牌、监控探头已经完成安装，有工作人员对监控探头进行现场调试。由西向东穿过新建的房山北收费站，继续向东行驶1.5公里，就是京雄高速标志性工程——京雄大桥。
如今，这座特大桥刚刚完成景观涂装，洁白的梁体展现出独特的空间结构。站在主桥上，抬头仰望，可以看见拱顶用钢梁“编织”成的“中国结”，寓意北京与雄安新区紧密联系，协同发展。灵动的造型，还体现在采用空间异型曲面结构的主拱肋上，一个个“钢积木”拼接后，像拧麻花一样上升，在拱顶被“中国结”连接。
“这座特大桥全长1.62公里，主拱跨度达300米，也是北京地区单跨跨度最大的桥梁。”中铁上海工程局建筑公司京雄大桥项目总工王迎彬介绍，京雄大桥建设之初，就充分考虑了防洪、抗震。
为了减小行洪阻力，京雄大桥扎进水下的拱脚，被设计成“尖脑袋”的梭形截面，加之主拱跨度大，可以使水流在桥下快速通过。今年夏天的特大暴雨，已经对其进行了检验。抗震方面，也按最高要求进行设计，除了用数值模型、缩尺模型，模拟地震时的抗震效果，桥梁下方还装有5000kN级粘滞阻尼器，相当于为大桥装上大号“安全气囊”，系好“安全带”。
自洁型油漆让梁体不易“沾灰”
记者探访时，基本完成施工的京雄大桥，正在拆除水下辅助施工的支架，主桥进行着最后一段伸缩缝的安装。“这道伸缩缝1.5米宽，为桥梁留出‘热胀冷缩’的空间，同时在结构和材料上保证行车舒适、平稳，雪天不易结冰。”王迎彬介绍，桥面铺装也有讲究，沥青路面和钢结构之间，加了1厘米厚的环氧树脂薄层，起到强力“黏合剂”的作用，使路面不易开裂。
仔细观察，大桥两侧的路灯也采用了曲线设计，延续主拱的舒展造型，在灯杆顶部同样装饰有“中国结”编织图案。向下看，大桥围挡、中央隔离带上也安装了兼具照明、夜间警示作用的灯带。
完成精装修的京雄大桥，穿上了洁白“新衣”。记者不禁好奇，这件白色“新衣”禁脏吗？王迎彬告诉记者，大桥涂装采用氟碳面漆，具有自洁性强的特点，可以让梁体不易“沾灰”。
大桥将迎大卡车“静载试验”
京雄大桥用钢量超过三个埃菲尔铁塔。这座雄伟的大桥，主梁宽度达48米，将承载京雄高速双向八车道的车流。“大块头”的“触觉”很灵敏，通过梁体内安装的数百个受力传感器，京雄大桥可将自己的健康状况，及时传递给运营管理单位。
“三年工期，经历疫情、洪水考验，冲破重重难关，京雄大桥终于建成了。”王迎彬难掩激动。年底通车前，京雄大桥还剩最后一关——静载试验，按照桥梁设计最大荷载值，大卡车车队将浩浩荡荡驶上大桥，考验大桥的承载力。
京雄高速北京段全长27公里，线路整体呈南北走向，北起西南五环，向西跨越永定河、地铁房山线、京深路，随后向南转向，跨越六环路并继续向南延伸至市界，与京雄高速河北段相接。
京雄高速六环至市界段已于去年底开通，五环至六环段全长15.2公里，主体工程已全部完成，其中，机电、交安工程已完成99%，计划年内建成通车运营。中铁京雄公司相关负责人介绍，通车后，北京西南五环至雄安新区将实现1小时通达，对构建京雄1小时交通圈、雄安新区“四纵三横”区域高速路网，服务京津冀协同发展具有重要意义。
拥有1000多个传感器的恰纳卡莱大桥
土耳其1915恰纳卡莱大桥上的结构健康监测系统，就如同这座大桥一样，非常出色。
拥有1000多个传感器的结构健康监测系统，可测量环境条件和桥梁响应。该系统不仅可以直接发出警报，还能对桥梁的长期性能进行预测和预报。
完备的结构健康监测系统
2022年3月18日，恰纳卡莱大桥建成通车。作为双塔三跨悬索桥，恰纳卡莱大桥具有突出的特点。它的中跨以2023米的长度打破了自1998年建成通车以来，霸榜近24年的日本明石海峡大桥1991米的世界纪录。
而且，大桥的主塔高度也有所突破，为 318 米，超过了巴黎的埃菲尔铁塔。
恰纳卡莱大桥建设时
正是因为这座大桥的独特，设计和安装在大桥上的1000多个传感器，分为环境与交通传感器和结构行为传感器，可以测量大桥上发生的任何外部事件，如强风、地震、闪电、交通繁忙等。另外，还能够记录结构的所有反应行为，如温度、位移、振动、疲劳应力等。在所有记录的数据中，对于这样一个细长结构的动态记录是关键。结构健康监测体系中还包括采集系统，可以记录、计算、采样、分析、存储和分析来自结构各种机械行为的大量数据。例如，它可以对正交各向异性板的应力进行雨流计数法，以调查和防止疲劳破坏。
除了记录数据用于可视化和即时维护外，大桥上的结构健康监测系统还可以对基础设施的未来行为进行预测计算：从可用数据中结合可调整的环境参数（温度、交通）进行回归分析，使桥梁的所有者能够预测桥梁的行为，并在关键服役阶段提前规划维护操作。这将提高桥梁的安全性，为业主节省资金，并使这座标志性的桥梁能够长期使用。
各司其职的传感器
环境和交通传感器
环境和交通传感器的作用是监测施加在桥梁结构上的外部载荷。这使得能对突发事件发出警报，尤其是当超过预定义的阈值时。例如，当风力或地震荷载过大时，就可以发出通知停止大桥的通行。
对环境荷载的监测还能使结构在特定环境条件下的行为进行相关联，例如风致振动，并验证设计计算和假设。
运动重量原理
结构传感器
与环境传感器一样，结构传感器也可以在发生剧烈振动引起警报的情况下调节交通。但它更多地用于监测结构的老化或其长期行为，如累积位移或桥面板的蠕变，甚至混凝土桥面内钢筋的腐蚀。
综合传感器
结构健康监测系统在设计上还可集成如阻尼器或缓冲器等外部设备提供的数据。
数据采集单元
数据采集单元是专门为恰纳卡莱大桥设计的。它们可以采集低频信号（如位移）或高频信号（如加速度计）。此外，还可以记录数据，对数据进行初步预处理（汇总统计）并将数据传输到数据服务器。数据采集单元也由UPS电池供电，以便在万一发生断电的情况下可以继续使用。
监测软件的升级
大桥的结构健康监测软件的开发过程长达15年。不过，目前的监测软件已进行了专门的更新，加入了大桥规范要求的新功能。
冲刷监测
该软件可通过对特定位置的累积应变，进行雨流计数来估算钢焊缝和部件的疲劳老化程度。
同时，还可以通过将桥梁的行为与环境条件进行比较，并对生成的模式应用特定的预测回归，从而对桥梁的行为进行预测分析。从这个意义上讲，监测软件将充当一个简化但非常完整可靠的数字孪生系统。
声学监测
世界范围内交通流量的增加，正在促使人们不断寻找新的路线和新的方式来更快地到达目的地。发展中的城市迫切希望改变周围的交通状况，以保护市中心不受汽车的影响。在没有其他选择的情况下，这些目标就成了杰出的桥梁结构设计的源泉。
1915恰纳卡莱大桥就是实现这些目标的成果。大桥位于伊斯坦布尔西南约400公里处，横跨达达尼尔海峡，是连接欧洲和亚洲之间的交通要道。随着大桥的建成通车，成为了继伊斯坦布尔的两座著名的博斯普鲁斯大桥和位于黑海北部的第三座博斯普鲁斯大桥之后，连接欧亚的第四座桥梁。其主跨2023米的世界纪录，也充分体现了工程师们的高超技艺。
然而，这座突破性的桥梁已经达到了如此之高的极限，也因此必须有一个重要而可靠的结构健康监测系统来提供支持。当然，如果没有可靠的环境信息、相关的结构响应结构健康监测系统，就无法实现设计和建造寿命超过100年的这一期望。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2023年 第3期 总第23期
作者 / Stéphane JOYE等
资料来源 / 2022IABSE布拉格会议
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