橋梁工程長期健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)研究
2011-05-30 來源：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來的橋梁長期健康監(jiān)測系統(tǒng)將具有高度的智能、可以精確檢測橋梁的健康狀況并將數(shù)據(jù)通過無線傳感器和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實時傳輸給遠(yuǎn)方的分析系統(tǒng)并自動做出準(zhǔn)確的判斷。特別是隨著目前光纖傳感器的成熟及發(fā)展，使得橋梁的長期健康監(jiān)測成為可能。某大橋作為一座結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的V型剛構(gòu)組合型橋梁（橋梁總體布置見圖1），有必要開展此項研究，并運(yùn)用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信及計算機(jī)技術(shù)，建立橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的信息，而分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
1 系統(tǒng)功能
借鑒國內(nèi)外橋梁工程健康監(jiān)測的實際經(jīng)驗，結(jié)合我國目前在這一領(lǐng)域的實際情況，橋梁長期健康監(jiān)測應(yīng)力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量，對大橋及其關(guān)鍵構(gòu)件（或部位）的工作狀態(tài)進(jìn)行實時可靠監(jiān)測，實現(xiàn)多級報警，并通過對測量數(shù)據(jù)的分析處理對結(jié)構(gòu)的異常行為進(jìn)行自動診斷，對當(dāng)前結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評估。系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在以下幾方面：
（1）綜合性：橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的首要原則是綜合性，要將施工過程監(jiān)測監(jiān)控和運(yùn)營期長期健康監(jiān)測及狀況評估結(jié)合起來，同時要考慮橋梁的養(yǎng)護(hù)管理過程，從建好、養(yǎng)好和管好橋梁的角度出發(fā)設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠建立橋梁設(shè)計、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)維修和管理的全過程歷史檔案數(shù)據(jù)庫，以利于將來的分析評估。
（2）可靠性：橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的長期運(yùn)行必須以工程可靠為基礎(chǔ)，選擇國內(nèi)外有業(yè)績和應(yīng)用實例的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，以保證系統(tǒng)要求和功能得以實現(xiàn)。
（3）先進(jìn)性：健康監(jiān)測系統(tǒng)要采用成熟的先進(jìn)高新技術(shù)，使系統(tǒng)的監(jiān)測能力能達(dá)到當(dāng)前的國際先進(jìn)水平，提高系統(tǒng)建設(shè)的科技含量。
（4）可操作性和易維護(hù)性：健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)易于管理和操作，人機(jī)交互界面應(yīng)直觀易于理解，充分利用系統(tǒng)仿真和可視化技術(shù)，避免因復(fù)雜操作帶來的困難和失誤。同時，監(jiān)測系統(tǒng)要能夠自我檢查和維護(hù)。
（5）完整性和開放性：系統(tǒng)要能夠采集到健康監(jiān)測及狀況評估所需的完整信息，監(jiān)測過程必須內(nèi)容完整、邏輯嚴(yán)密，各功能模塊之間既互相獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)，避免故障發(fā)生時的聯(lián)動影響。同時，隨著健康監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，系統(tǒng)要能夠擴(kuò)充以便增強(qiáng)監(jiān)測功能，不至于因為系統(tǒng)功能的調(diào)整而破壞整個系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)要求
健康監(jiān)測的系統(tǒng)范圍包括空間范圍和時間范圍，空間范圍一般是主橋范圍，時間范圍是從施工過程控制、結(jié)構(gòu)形成過程信息采集和成橋后健康監(jiān)測和數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)的實施，以及健康狀況分析評估等環(huán)節(jié)。根據(jù)某大橋的工程特點，為滿足實時監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的原則，系統(tǒng)需要獲取有關(guān)的應(yīng)力及應(yīng)變等信息數(shù)據(jù)：
2.1荷載數(shù)據(jù)
主要包括交通荷載數(shù)據(jù)、環(huán)境荷載數(shù)據(jù)以及溫度荷載數(shù)據(jù)，通過對交通車輛荷載的載重量和流量、自然環(huán)境變化情況以及溫度變化的監(jiān)測，取得對橋梁結(jié)構(gòu)的受力分析所必須的參數(shù)。
2.2受力狀況監(jiān)測
實時掌握各測點在車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載和地震等外荷載作用下的主梁、主墩和拱肋關(guān)鍵截面應(yīng)力應(yīng)變情況和系桿、吊桿索力變化的情況，為分析評價橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況和疲勞可靠性、驗證橋梁設(shè)計理論提供依據(jù)，同時，通過測點的應(yīng)力狀況的變異和索力變化情況發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，為大橋養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。
2.3變形位移監(jiān)測
對主梁的位移、主梁和拱肋的軸線、主墩承臺的標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測，了解其變化情況，為分析和評估橋梁的健康狀況提供依據(jù)。
2.4總體動態(tài)特性監(jiān)測
實時掌握結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼特性，以及結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的動力響應(yīng)（包括振動位移和加速度）情況，為分析評估大橋的結(jié)構(gòu)狀況，驗證大橋設(shè)計理論（包括車－橋振動和風(fēng)致振動理論），為運(yùn)營管理提供依據(jù)。
2.5疲勞腐蝕監(jiān)測
監(jiān)測錨室濕度變化情況，為分析錨碇部位腐蝕程度提供必要的依據(jù)；監(jiān)測系桿和吊桿的 疲勞損傷和腐蝕情況，為評估系桿和吊桿的健康狀況提供依據(jù)。
2.6其他監(jiān)測項目
吊桿的風(fēng)致顫振情況監(jiān)測；伸縮縫的變化情況檢測；支座反力監(jiān)測；拱肋斷面應(yīng)力及拱腳應(yīng)力，等等。
3 系統(tǒng)構(gòu)成
3.1傳感器子系統(tǒng)
由各種傳感器構(gòu)成，包括測量應(yīng)力、加速度、位移、溫度、風(fēng)速及車輛荷載等的各式傳感器及與之匹配的放大裝置、二次儀表等。用于橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的變化、車輛荷載的變化及結(jié)構(gòu)響應(yīng)等各種信息的采集。
3.2信息預(yù)處理及傳輸子系統(tǒng)
由傳感系統(tǒng)采集到的信號，需要預(yù)處理后才能傳輸，否則采樣數(shù)據(jù)量過于龐大提高了對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求。根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)的特點，可采取壓縮、過濾等方式處理，然后由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理計算機(jī)進(jìn)行處理。采用多級數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)：
（1）實時數(shù)據(jù)采集，數(shù)字信號和數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及實時超限預(yù)警。
（2）在線二次數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存檔，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析。
3.3信息處理及數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)
對由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳入的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立橋梁監(jiān)測信息公共數(shù)據(jù)庫。通過這一適時反映橋梁狀況的數(shù)據(jù)庫，不同部門及領(lǐng)域的人員能對自己感興趣的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理。
采集到的信息用三級數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)管理，即長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、超閾值事件數(shù)據(jù)庫和健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。各數(shù)據(jù)庫的定義如下：
（1）長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫：用于存儲溫度、應(yīng)變、風(fēng)速及風(fēng)向的原始數(shù)據(jù)庫，便于今后對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析、查詢及校核。
（2）超值域事件數(shù)據(jù)庫：用于存儲超過限值的溫度、應(yīng)變、加速度、傾角、風(fēng)速及風(fēng)向的原始數(shù)據(jù)，便于對超域值事件進(jìn)行重點分析和評估。
（3）健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫：用于存儲經(jīng)過與處理的溫度、應(yīng)變、加速度、傾角、風(fēng)速及風(fēng)向的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，便于專家系統(tǒng)對橋梁的健康狀況進(jìn)行快速而高效地分析和評估。
3.4橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況評估專家系統(tǒng)子系統(tǒng)
利用橋梁監(jiān)測信息公共數(shù)據(jù)庫提供的信息，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和結(jié)構(gòu)力學(xué)反
問題等方面的技術(shù)研究開發(fā)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過施工控制過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)、橋梁成橋完整性檢測的數(shù)據(jù)，不斷學(xué)習(xí)橋梁生命周期的環(huán)境變化和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)據(jù)，建立起荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系。從而可以在線監(jiān)測，通過監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)掌握橋梁的健康狀況，如有異常則報警。評估的策略主要有橋梁健康狀態(tài)的定期評估、超限值事件的評估分析、異常狀態(tài)的分析及識別、結(jié)構(gòu)建模和分析、靜力承載能力分析和動力特性評估等。
3.5開放接口子系統(tǒng)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集到的各種數(shù)據(jù)信息由信息處理及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理，這些數(shù)據(jù)是非常寶貴的資源，對于橋梁的設(shè)計單位、管理維護(hù)部門、交通管理部門及研究機(jī)構(gòu)都有重要的意義。通過開放接口系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享，充分利用橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)這一系統(tǒng)的價值。
3.6管理控制子系統(tǒng)
管理控制系統(tǒng)處于整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的軟硬件的驅(qū)動控制，各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作要求有一個指揮中樞。信號的采集分析、評估策略的選擇和異常情況的處理將由管理控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
3.7系統(tǒng)維護(hù)與保障子系統(tǒng)
作為適時的長期監(jiān)測系統(tǒng)，為使監(jiān)測系統(tǒng)能長期獨(dú)立工作，必須能自動檢查電源、傳感器、導(dǎo)線、計算機(jī)等硬件是否正常工作，各種設(shè)備是否老化及零點是否飄移等，以便及時調(diào)整。
4 系統(tǒng)運(yùn)用
建立健康狀況評估專家系統(tǒng)，其目的是如何根據(jù)實際監(jiān)測大橋獲得的大量數(shù)據(jù)和信息，科學(xué)客觀地評價大橋結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性，給橋梁的管理與維護(hù)提供決策依據(jù)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須充分利用實時監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)信息以及橋梁的歷史記錄數(shù)據(jù)資料，才能對大橋的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行識別與評估。包括：正常運(yùn)營交通對橋梁結(jié)構(gòu)的影響評估，超重車輛對橋梁承載力退化的影響評估，橋梁健康狀況的靜動態(tài)特性指標(biāo)評估，外界的自然因素（風(fēng)、雨、氣溫變化）對橋梁結(jié)構(gòu)的影響評估。
通過對以上內(nèi)容的評估，分析橋梁承受多大的交通量是安全狀況，橋梁的承載潛力可達(dá)到何種交通量水平；分析超重車輛對橋梁承載力退化的影響規(guī)律；研究橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況評估的靜動態(tài)特性指標(biāo)；研究溫度荷載對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的影響以及風(fēng)雨共同作用對系桿、吊桿及拱肋的抖振影響。
4.1建立分析模型
根據(jù)某大橋的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合施工的實際情況對大橋作深入分析，利用這些分析結(jié)果建立反映大橋的數(shù)字化模型，以此作為施工過程監(jiān)測監(jiān)控和長期健康監(jiān)測的基礎(chǔ)，同時對影響健康狀況的各種技術(shù)因素作全面分析。
4.2監(jiān)測系統(tǒng)集成
通過施工過程試驗（主梁和拱肋的狀態(tài)、系桿和吊桿的振動試驗等）及成橋荷載試驗（靜載、動載試驗），分析得到優(yōu)化的測試方案，將所有監(jiān)測項目集成為完整的系統(tǒng)，完成硬件及軟件的安裝調(diào)試，培訓(xùn)系統(tǒng)使用的操作人員并交付使用。
4.3監(jiān)測分析評估
監(jiān)測系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)包含了大量的橋梁信息，對橋梁健康狀況的正確評估必須建立在對監(jiān)測數(shù)據(jù)正確分析的基礎(chǔ)上。其過程涉及數(shù)據(jù)采集策略、數(shù)據(jù)有效性識別和數(shù)據(jù)信息提取等環(huán)節(jié)。
利用從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取的橋梁結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)狀況的初步評價，結(jié)合觀測得到的橋梁環(huán)境荷載信息和其他手段獲得的結(jié)構(gòu)狀況，分析大橋的動、靜力安全性和大橋的正常使用性和耐久性。如出現(xiàn)異常，則輔助人工檢測和無損檢測手段識別結(jié)構(gòu)可能存在的局部損傷，預(yù)報橋梁結(jié)構(gòu)隨時間變化產(chǎn)生的疲勞損傷和功能退化狀況，并以此作為橋梁維修養(yǎng)護(hù)決策的依據(jù)。
4.4技術(shù)路線
主要包括大型有限元分析、結(jié)構(gòu)模型修正、結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與仿真、試驗?zāi)B(tài)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)損傷識別、結(jié)構(gòu)可靠性理論和工程經(jīng)濟(jì)分析等分析方法和手段。以此作為研究的平臺，結(jié)合橋梁設(shè)計和管理專家的知識經(jīng)驗進(jìn)行分析。
橋梁健康狀況評估系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖3所示。
（1）利用橋梁設(shè)計計算和歷史檢測資料建立其有限元模型，監(jiān)測系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)通過試驗?zāi)Ｐ头治?、人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)進(jìn)行參數(shù)識別。以此識別結(jié)果修正橋梁有限元模型，力求使修正后的有限元模型在工程誤差范圍內(nèi)表征實際的橋梁結(jié)構(gòu)，從而建立狀況評估的起點和基準(zhǔn)。
（2）在長期監(jiān)測過程中，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)同樣需要進(jìn)行參數(shù)識別。識別結(jié)果與基準(zhǔn)橋梁模型在相同荷載水平和條件下的計算結(jié)果作比較，比較的結(jié)果作為橋梁損傷識別的輸入信息。利用橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)，對橋梁損傷的性質(zhì)、位置和程度做出判斷或估計。
（3）根據(jù)基準(zhǔn)橋梁模型，應(yīng)用結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與仿真技術(shù)，模擬橋梁在時間歷程、意外事件、超重車輛、溫度變化和風(fēng)雨激勵作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以此估計橋梁的剩余強(qiáng)度和壽命、可靠度。同時，應(yīng)用工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)理論，對橋梁的生命周期成本進(jìn)行分析和估計。
（4）根據(jù)上述的分析結(jié)果，為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)，或者提出更為經(jīng)濟(jì)有效的橋梁檢測和養(yǎng)護(hù)建議，以此保證橋梁的運(yùn)營安全和經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)語
對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期健康監(jiān)測及建立數(shù)字化信息收集系統(tǒng)，通過傳感器元件實時采集大橋在運(yùn)營狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和信號，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與信號反演出大橋的結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和健康狀況，識別出可能的結(jié)構(gòu)損傷的程度及其部位，進(jìn)而給出大橋的安全可靠性評估，為維修管養(yǎng)提供決策依據(jù)，不僅具有重要的現(xiàn)實意義，而且具有重要的科學(xué)意義，將對橋梁工程數(shù)字化、智能化發(fā)展發(fā)揮積極的作用。
