日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(18)

横滨海湾大桥在被重新翻修六年后，其在2011年东日本（东北地区）大地震中因强烈的地面震动而振动。监测系统记录到了桥梁对主要冲击和几次余震的重要响应。地震记录显示，隔震装置（LBC）有效地发挥了作用。研究人员从这次地震记录中发现了塔梁之间有横向撞击的迹象。桥塔的横向加速度特征是具有类似于脉冲的许多周期性的尖峰，它们与主梁在频率为0.32 Hz时的第一横向模态有关（图13）。随后进行的目视检查证实，在塔-梁连接处，主梁和桥塔之间发生了横向碰撞。

图13 横滨湾大桥桥塔的LBC照片以及在2011年东日本（东北地区）大地震期间使用的监测系统和所观测到的地震记录。（a）传感器在桥塔和主梁上的位置，完整的传感器布局图请参见图7（a）；（b）桥塔上连杆支座连接（左）和风挡（右）的照片；（c）主震期间桥塔在桥面板高度处的加速度显示出类似于脉冲的尖峰；（d）连续横向撞击之间的时间间隔。（c）和（d）中的数据是从T5(Y)（桥塔P2横向主震上的传感器）中获得的。经American Society of Civil Engineers许可，转载自参考文献，2013
尽管发生了这种情况，但在2011年东日本（东北地区）大地震中，横向撞击并未对建筑结构造成破坏。有研究者采用简化模型研究了在风挡处对应于桥塔和主梁节点间的双向接触问题。简化的结构模型合理地模拟了撞击机理及其对结构的影响，如桥塔和风挡承受的最大冲击力。最近，Takeda等采用多尺度有限元模型进行了更详细的研究，研究了地震冲击对桥塔和主梁的影响。为了验证有限元模型，研究人员利用了桥梁不同位置处的地震记录，然后，使用验证模型来估计桥塔、风挡和LBC在大地震中的抗震性能。
（六）桥梁设施维护和管理的监测
1. 大跨度桥梁的维护和管理的监测
由于现存的桥梁日益老化，目前日本正将结构监测应用到现有大跨度桥梁的维护和管理中。在若户大桥（Wakato Bridge）的修复和道路扩展过程进行结构监测，是早期实施结构监测的例子之一。若户大桥始建于1962年，是日本第一座现代化大跨度悬索桥，桥梁中心跨距为367 m。为了适应不断增加的交通流量，1990年施工人员对大桥进行了四车道加宽工程。在进行拓宽工作的同时，桥梁禁止车辆通行，这种做法对日本北九州市的主要道路产生了严重影响，并给附近地区带来了一定的社会和经济影响。因此，施工人员决定在确保正常交通流量的条件下进行施工。这是日本当时的一项前所未有的建筑工程。为了确保桥梁在修复工作期间和之后均完好，施工人员给桥梁安装了半永久性的结构监测系统。监测系统可使用位移传感器记录关键位置的位移，并使用加速度计记录桥梁振动。