港珠澳大桥地震安全监测与评估系统

深圳防灾减灾技术研究院工程结构安全监测中心

摘要：随着我国经济的飞速发展，基础设施建设，尤其是大型桥梁的建设，得到了迅速发展，未来地震对大型桥梁结构的威胁也日趋严重。在国内外众多破坏性地震中，几乎都有程度不等的桥梁破坏，严重的全桥倒塌，轻微的桥墩倾斜、偏移或沉陷。强震动观测是认识地震动特征和工程结构地震反应特性的主要手段之一，对于了解大跨度桥梁的真实地震反应和破坏机理，其地位和作用是十分突出的。港珠澳大桥作为目前世界上长度最长、综合难度最大的跨海大桥，其地震安全性备受关注，对其进行实时的强震动监测及安全诊断，可为大桥维护管理提供科学依据，保障大桥的安全运营。

一、研究背景

1、法规要求

国务院颁布的《地震监测管理条例》（第409号令）规定：“特大型桥梁、核电站、水库大坝等重大建设工程应当设置强震动监测设施。” 为了贯彻国务院的《地震监测管理条例》，2017年修订通过的《广东省防震减灾条例》规定：核电站和其他核设施、特大桥梁、大型水库大坝、一百二十米以上的超高层建（构）筑物或者结构特殊、对经济社会有重要影响的建设工程或者设施，应当按照国家有关规定设置强震动监测设施。#p#分页标题#e#2016年发布实施的广东省地方标准《重要建设工程强震动监测台阵技术规范》（DB44/T 1848-2016），进一步对应当开展强震动监测的工程范围和台阵技术要求进行了细化。

2、研究基础

根据各项法规及标准要求，针对大型桥梁地震安全隐患，地震系统技术团队自2008年起先后在珠江黄埔大桥、虎门大桥、佛开高速公路九江大桥等跨海跨江特大桥上架设了强震动观测系统，实现了对大型桥梁振动状态的实时监测。随后，结合广大省重大科技专项项目，与暨南大学、广州中国科学院工业技术研究院联合研发了“大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统”（图1），进一步实现了桥梁强震动事件报警、结构实时安全诊断、地震风险评估等功能。该系统得到国际知名的土木工程和健康监测专家、伊利诺伊大学香槟分校纽马克结构实验室主任 B. F. Spencer教授、国内院士专家团队的高度评价，认为达到世界先进水平。

图1“大型桥梁地震安全在线监测与评估系统”主界面

二、港珠澳大桥监测需求

1、港珠澳大桥工程简介

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。#p#分页标题#e#

港珠澳大桥工程主要包括三项内容：一是海中桥隧工程；二是香港、珠海和澳门三地口岸；三是香港、珠海、澳门三地连接线。海中桥隧主体工程（粤港分界线至珠海和澳门口岸段）由粤港澳三地共同建设；海中桥隧工程香港段（起自香港石湾、止于粤港分界线）、三地口岸和连接线由三地各自建设。海中桥隧工程采用石湾—拱北/明珠的线位方案，路线起自香港大屿山石湾，接香港口岸，经香港水域，沿23DY 锚地北侧向西，穿（跨）越珠江口铜鼓航道、伶仃西航道、青州航道、九洲航道，止于珠海/澳门口岸人工岛，总长约35.6km，其中香港段长约6km；粤港澳三地共同建设的主体工程长约29.6km。

主体工程采用桥隧组合方案，穿越伶仃西航道和铜鼓航道段约6.7km采用隧道方案，其余路段约22.9km采用桥梁方案。为实现桥隧转换和设置通风井，主体工程隧道两端各设置一个海中人工岛，东人工岛东边缘距粤港分界线约366m，西人工岛东边缘距伶仃西航道约2000m，两人工岛最近边缘间距约5584m。

2、港珠澳大桥面临的地震与台风风险

港珠澳大桥作为世界级跨海通道和地标性建筑，位于抗震设防烈度VII度区，距离7.5级潜在震源区——担杆岛潜源不到50km，其地震风险应当引起高度重视。此外，港珠澳大桥地处珠江口，台风频繁，近两年就先后遭受2017年天鸽、2018年山竹等超强台风的严峻考验。年复一年地遭受台风侵袭，港珠澳大桥的结构状态变化也是值得关注的问题。

考虑到港珠澳大桥的工程、社会及经济价值，一旦其#p#分页标题#e#遭受破坏，不仅会造成巨大的直接经济损失，而且将对港珠澳的社会功能造成难以估量的影响。因此，在港珠澳大桥开展地震安全监测工作，实时监测其振动响应、评估其地震风险具有重大意义。
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图2港珠澳大桥所处位置示意图

三、港珠澳大桥地震安全监测与评估系统

1、系统设计

由于大跨度桥梁结构的复杂性，桥梁在强震作用下的实际地震响应和破坏特点往往不能在抗震设计阶段完全掌握。另外，大跨度桥梁一般自振周期较长，对长周期地震动比较敏感，远场大震的影响也不可忽视。因此，在监测系统的设计上充分考虑到，通过环境振动数据的积累和分析，提取大桥结构特征参数并研究其变化规律，在此基础上建立和修正大桥有限元模型；通过强震观测和数值模拟，掌握桥梁的真实地震响应情况，为大桥管理方提供在未来可能的地震作用下桥梁的破坏特点和薄弱环节，为桥梁预防地震风险和抗震加固提供科学依据。系统的总体工作框架如图#p#分页标题#e#3所示。

图3大桥地震安全监测总体工作框架

港珠澳大桥包括青州航道桥、江海直达船航道桥和九洲航道桥三座大跨度航道桥。这三座航道桥的主梁及拉索上已设计安装有较为完善的健康监测设备，但对于桥塔的监测则相对薄弱。在地震作用下，桥塔破坏的风险及其对整体结构带来的影响也是不容忽视的。因此，本系统在大桥原有健康监测系统的基础上，补充加强了对桥塔的强震动观测。如图4、5所示，通过在三座航道桥主塔中部及塔顶增加强震动观测测点，可以更全面地获取桥塔的振动状态和动力特性，从而更准确地分析桥梁结构的抗震性能。桥梁其他部位的监测则通过共享大桥健康监测系统相关数据的方式完成，以最大限度地节约成本和提高数据利用率。系统采取实时监测和传输数据的方式，监测数据通过光纤同步传输到大桥监测中心终端和省地震局重点实验室监测平台。

图4强震动测点布置示意图

图#p#分页标题#e#5系统安装现场

2、系统功能

桥梁振动状态实时监测。港珠澳大桥监测系统采取实时监测的方式，监测仪器对桥梁的振动信号进行连续记录，并通过光纤进行实时传输和数据存储。在系统终端上可实时查看大桥的当前振动数据，还可对历史振动事件进行分析和查询。这有利于工作人员对桥梁振动状态进行实时的直观查看，以及对历史重要振动事件进行在线分析和资料调阅。图6所示为青州航道桥塔顶测点在2018年9月16日超强台风山竹登陆期间的数据，系统全程记录了台风影响的整个过程。

图6青州航道桥桥塔台风记录数据

强震动事件预警和报警。港珠澳大桥地震安全监测系统与广东省地震台网连接，并放置预警终端，可实时接收地震预警信息。结合桥梁结构上的实际记录数据，可即时判断地震对大桥的影响程度，进而在系统终端发出报警，给出紧急处置建议。此外，如果港珠澳大桥遭受船只撞击、爆破等人工强震动事件，系统也可及时分析评估事件对桥梁结构的影响，根据影响程度在系统终端发出相应报警。#p#分页标题#e#

桥梁结构安全评估。如图4所示，在日常运行中，系统实时从监测数据中分析提取多项结构动力特性指标，对桥梁的结构状态进行评估。由于单一指标可能会存在错判、误判等情况，因此系统还采用了信息融合技术，形成了多指标融合评估体系（图4），对桥梁结构安全状态进行综合判断。一旦桥梁状态发生明显变化，系统将在终端发出报警，提醒维护人员对桥梁特定部位进行检查及维护，从而避免可能存在的安全隐患的进一步恶化。

图7结构状态多指标融合评估

四、相关应用及展望

截至目前，已在广东省内建设了共计10项重大工程地震安全监测与评估系统（图8），其中包括5座大型桥梁、2#p#分页标题#e#个水利枢纽工程、2栋高层建筑以及1个国家重大科研实验场地——中国散裂中子源。针对不同类型的工程，地震安全监测与评估系统的设计及功能实现上也会有所区别，从而为相关工程提供更有针对性的服务。如中国散裂中子源监测系统，就更加侧重于监测和分析地震及周边交通荷载对重大科学仪器运行的可能影响。

图8地震安全监测与评估系统应用分布

目前，港珠澳大桥地震安全监测与评估系统为大桥的结构安全提供了基础的保障，但仍然存在较大的发展空间。如何更快速、准确的识别桥梁结构损伤，确定隐患发生的位置及程度将是系统未来面临的重大问题。因此，今后结合港珠澳大桥的工程实际，通过不断的技术方法创新，重大工程地震安全监测与评估系统的核心技术将不断更新提升，系统功能将不断丰富和完善。最终达到，以港珠澳大桥监测系统作为重要平台，把地震安全监测与评估工作推广应用到更多的重大建设工程上，从防灾减灾层面为我国经济社会的健康和可持续发展保驾护航。