Construction Method of Monitoring System of Preventive Conservation for Lugou Bridge Based on Three Principles
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摘要:
为构建古代砖石拱桥的预防性保护监测系统，开展面向风险识别的监测方法研究. 首先，采用残损评定等级、Von Mises应力和构件重要性分别作为残损最严重、受力最不利、构件最重要3项原则的量化表示；其次，基于残损矩阵、受力矩阵和重要性矩阵求解卢沟桥64个构件的监测目标值；最后，制定卢沟桥基于三原则的传感器优化布置方案. 研究结果表明：该方法能够定位待监测的高目标值构件，并且监测信息可提取卢沟桥的结构季节性波动规律和累积损伤风险；除沉降项目基本不受季节变化影响，其余监测项目存在明显的季节性波动规律，波动波峰位于每年6月—7月，波谷位于每年1月；应变传感器的冬季与夏季峰值之比为1.577，东起第7孔位移传感器的冬季与夏季峰值之比为0.849，东起第9孔位移传感器的冬季与夏季峰值之比为1.206，横桥向倾斜传感器的冬季与夏季峰值之比为1.549，季节性波动比率平均介于20%～60%. 沉降传感器监测到东起第5桥墩沉降量为第9桥墩的1.156倍；靠近拱桥中部或位于损伤严重构件的传感器在同类型传感器中具有更大的峰值. 研究结果可为古代砖石拱桥的预防性保护监测提供科学基础.
Abstract:To construct a monitoring system of preventive protection for ancient masonry arch bridges, a monitoring method for risk identification was investigated. Three indicators, which were damage assessment grade, Von Mises stress, and component importance, were used to quantify the most severe damage, unfavorable stress, and critical components. The monitoring target values were solved for the 64 components of the Lugou Bridge based on the loss matrix, force matrix, and importance matrix, and a sensor placement scheme was made accordingly. The results have shown that the method can identify high-value components for monitoring and capture the seasonal fluctuation patterns and cumulative damage risks of Lugou Bridge. Except for the settlement, monitoring data exhibits significant seasonal fluctuation patterns, with peaks in June to July and troughs in January each year. The ratio of winter to summer peak values is 1.577 for strain sensors, 0.849 for displacement sensors at the seventh pier from the east, 1.206 for displacement sensors at the ninth pier from the east, and 1.549 for transverse inclination sensors. The average seasonal fluctuation ratio ranges from 20% to 60%. The settlement of the fifth pier from the East is 1.156 times that of the ninth pier from the East. Sensors near the central arch bridge or located in severely damaged areas have higher peak values among the same type of sensors. The study provides a scientific basis for the monitoring of preventive conservation of ancient masonry arch bridges.
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Key words:
- masonry arch bridge /
- architectural heritage /
- preventive conservation /
- monitoring /
- sensor
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表 1 材料参数
Table 1. Material parameters
材料 弹性模量/MPa 泊松比 密度/（kg•m−3） 砖砌块 2250 0.15 2000 石砌块 6750 0.15 2500 填土 40 0.20 1900 
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表 2 三原则矩阵
Table 2. Three principles matrix
构件 残损 受力 重要性 位置 编号 损伤劣化 变形位移 拱券 1 号 0.75 0.50 0.237 0.617 2 号 0.75 0.50 0.312 0.885 3 号 0.50 0.50 0.356 0.899 1 号 0.50 0.50 0.351 0.912 5 号 0.50 0.75 0.484 0.962 6 号 0.50 0.75 0.535 1.000 7 号 0.50 1.00 0.484 0.962 8 号 0.75 0.50 0.351 0.912 9 号 0.75 0.75 0.356 0.899 10 号 0.50 0.75 0.312 0.885 11 号 0.75 0.50 0.237 0.617 南侧桥墩 1 号 0.50 0.50 0.257 0.169 2 号 0.50 0.50 0.347 0.218 3 号 0.50 0.50 0.388 0.245 4 号 0.50 0.50 0.434 0.277 5 号 0.75 0.50 0.557 0.350 6 号 0.75 0.50 0.557 0.350 7 号 0.50 0.50 0.434 0.277 8 号 0.50 0.50 0.388 0.245 9 号 1.00 0.75 0.347 0.218 10 号 0.50 0.50 0.257 0.169 北侧桥墩 1 号 0.50 0.50 0.257 0.169 2 号 0.50 0.50 0.347 0.218 3 号 0.50 0.50 0.388 0.245 4 号 0.75 0.50 0.434 0.277 5 号 0.50 0.75 0.557 0.350 6 号 0.50 0.50 0.557 0.350 7 号 0.75 0.50 0.434 0.277 8 号 0.50 0.50 0.388 0.245 9 号 0.50 0.50 0.347 0.218 10 号 0.75 0.50 0.257 0.169 南侧侧墙 1 号 0.50 0.50 0.150 0.119 2 号 0.5 0.5 0.187 0.153 3 号 0.50 0.50 0.190 0.160 4 号 0.50 0.50 0.251 0.185 5 号 0.50 0.50 0.291 0.200 6 号 0.50 0.75 0.321 0.214 7 号 0.50 1.00 0.297 0.200 8 号 0.50 1.00 0.238 0.185 9 号 0.50 0.75 0.219 0.160 10 号 0.50 0.50 0.198 0.153 11 号 0.50 0.50 0.144 0.119 北侧侧墙 1 号 0.50 0.50 0.150 0.119 2 号 0.50 0.50 0.187 0.153 3 号 0.50 0.50 0.190 0.160 4 号 0.50 0.50 0.251 0.185 5 号 0.50 0.50 0.291 0.200 6 号 0.50 0.50 0.321 0.214 7 号 0.50 0.50 0.297 0.200 8 号 0.50 0.50 0.238 0.185 9 号 0.50 0.50 0.219 0.160 10 号 0.50 0.50 0.198 0.153 11 号 0.50 0.50 0.144 0.119
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表 3 传感器编号
Table 3. Sensor codes
传感器类型 编号 安装位置 应力应变计 Y1 5 号拱券南侧拱顶 Y2 5 号拱券北侧拱顶 Y3 5 号拱券南侧拱脚 Y4 6 号拱券南侧拱顶 Y5 6 号拱券北侧拱顶 Y6 6 号拱券南侧拱脚 Y7 7 号拱券南侧拱顶 Y8 7 号拱券北侧拱顶 Y9 9 号拱券南侧拱顶 Y10 9 号拱券北侧拱顶 静力水准仪 J1 西侧桥头相对稳定点 J2 9 号桥墩对应桥面南侧 J3 西侧桥头相对稳定点 J4 5 号桥墩对应桥面北侧 智能位移计 W1 7 号拱券南侧拱顶 W2 7 号拱券北侧拱顶 W3 9 号拱券南侧拱顶 W4 9 号拱券北侧拱顶 智能倾斜计 Q1 8、9 号孔间侧墙南侧 Q2 6、7 号孔间侧墙南侧 振动传感器 Z1 6 号孔北侧栏板外侧 Z2 1 号孔北侧栏板外侧 湿度传感器 H1 温度传感器 T1 东侧桥头南面护堤 雨量计 R1
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表 4 数据分析结果
Table 4. Data analysis results
传感器编号 A B |B/A| Y1 27.81 −45.37 1.631 Y2 28.88 −52.89 1.831 Y3 43.76 −19.43 0.444 Y4 27.77 −45.56 1.641 Y5 36.30 −64.73 1.783 Y6 28.71 −49.39 1.720 Y7 29.22 −45.59 1.560 Y8 21.05 −28.62 1.360 Y9 27.89 −41.55 1.490 Y10 26.86 −61.97 2.307 W1 1.40 −1.01 0.721 W2 1.23 −1.20 0.976 W3 0.74 −0.79 1.068 W4 0.58 −0.78 1.345 Q1X 方向 0.16 −0.22 1.375 Q1Y 方向 0.25 −0.24 0.960 Q2X 方向 0.18 −0.31 1.722 Q2Y 方向 0.13 −0.13 1.000
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