大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的技術(shù)發(fā)展
2015-07-02
簡介
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展技術(shù)監(jiān)測、評估和評估現(xiàn)有的或新建橋梁已經(jīng)達到某種程度的成熟。在結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在歐洲上實現(xiàn)橋梁,美國、加拿大、日本、韓國,中國和其他國家都已經(jīng)實現(xiàn)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常設(shè)想到:(i)驗證假設(shè)和參數(shù)設(shè)計的潛在好處,改進設(shè)計規(guī)范和指導(dǎo)未來的類似結(jié)構(gòu)；(ii)檢測異常在加載和響應(yīng),以及可能的損傷/惡化處于初期階段,確保結(jié)構(gòu)和運營安全； (iii)提供實時信息后立即進行安全評價災(zāi)害和極端事件；（iv）提供證據(jù)和指導(dǎo)規(guī)劃和優(yōu)先橋檢查、康復(fù)、維護和修理；(v)監(jiān)測維修和重建與視圖的評估的有效性,改造和維修保養(yǎng)工作；(vi)獲得大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對葉片在橋梁工程的研究,如風(fēng)力和抗震設(shè)計、新結(jié)構(gòu)類型和智能材料的應(yīng)用程序。
開發(fā)和實施一個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠完全實現(xiàn)上述目標(biāo)和利益，但目前仍然是一個挑戰(zhàn),需要協(xié)調(diào)跨學(xué)科研究完全適應(yīng)創(chuàng)新性技術(shù)在應(yīng)用程序開發(fā)的其他學(xué)科的土木工程的社區(qū)。實際上,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主題主要國際研究近年來。在這個主題的研究涵蓋了傳感、通信、信號處理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)識別、信息技術(shù)等。它需要機械,電氣以及民用計算機工程等之間的協(xié)作。當(dāng)前的挑戰(zhàn)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測被確認為分布式和嵌入式傳感、數(shù)據(jù)管理和存儲、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)、診斷方法、和演示的有用和可靠的信息橋梁所有者/經(jīng)理為決策在維護和管理。在本文中,在之后的現(xiàn)狀的概述大型橋梁健康監(jiān)測實踐中,作者探索一些關(guān)鍵問題有關(guān)上述挑戰(zhàn),對于研究者和實踐者們,通過引用幾個健康監(jiān)測工程范例。
2、實踐狀態(tài)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)
成功的實現(xiàn)和操作的長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁被廣泛報道。到目前為止大約40大跨度橋梁(跨度100米或更長時間),世界與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的檢測。典型的例子是偉大的皮帶橋在區(qū)別,在加拿大的聯(lián)邦大橋,在香港的青馬大橋,在美國海軍準(zhǔn)將巴里橋,明石海峽大橋在日本,在韓國首爾橋。20個大型橋梁在中國(包括香港特別行政區(qū))檢測與實時監(jiān)控系統(tǒng)。這個清單不包括東海大橋(包括兩個主要的跨度斜拉橋分別為420米和332米),杭州灣大橋(包括兩個主要的跨度斜拉橋分別為448米和318米)和第三南京長江大橋(一個雙塔斜拉橋主跨度648米)的長期結(jié)構(gòu)性的健康監(jiān)測系統(tǒng)是目前正在設(shè)計。
最近的一些實踐趨勢在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為大規(guī)模橋是值得一提的。(i) (我)對一些最近的橋梁如深圳西走廊,昂船洲大橋,上海崇明穿越(一個雙塔斜拉橋主跨度1200米)和墨西拿海峽大橋(一個懸索橋主跨度3300米),一個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求在招標(biāo)作為橋梁設(shè)計的。集成橋梁設(shè)計和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計確保設(shè)計工程師的重要問題是反映在監(jiān)控系統(tǒng),同時實現(xiàn)民事規(guī)定監(jiān)測系統(tǒng)被認為是在橋的設(shè)計。(ii)實施長期監(jiān)測系統(tǒng)在新的橋梁如第四錢江橋,深圳西部通道,昂船洲大橋和蘇通大橋是完成與橋施工進度同步。這樣一些特定類型的傳感器,例如,腐蝕傳感器,應(yīng)變儀和光纖傳感器可以嵌入到結(jié)構(gòu)在某橋安裝階段。(iii)最近設(shè)計了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)強調(diào)多用監(jiān)測橋梁的完整性,耐用性和可靠性。在香港,一個改進從青馬大橋監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)包括更多的昂船洲大橋環(huán)境測量傳感器如腐蝕傳感器、氣壓計,濕度計和雨量計促進橋梁安全/可靠性評估。另一個例子是蘇通大橋的監(jiān)控系統(tǒng),將把大部分的嵌入式傳感器目前屬于基礎(chǔ)穩(wěn)定和安全監(jiān)控系統(tǒng)，專為施工監(jiān)測只有)增強了上層建筑長期監(jiān)測系統(tǒng)對橋耐久性評估。
3、傳感和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
在過去的十年里取得了重大進展傳感技術(shù)和各種創(chuàng)新的傳感系統(tǒng),如光纖傳感器和無線傳感器現(xiàn)在正成為商用。一個傳感系統(tǒng)是至關(guān)重要的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的橋梁。想象的未來的橋梁健康監(jiān)測使用一個數(shù)組的廉價、空間分布、無線供電,無線網(wǎng)絡(luò),嵌入式傳感設(shè)備支持頻繁和按需收購實時信息和環(huán)境影響的加載,結(jié)構(gòu)特性和響應(yīng)。光纖傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于長期的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,而應(yīng)用程序的無線傳感器橋梁監(jiān)測仍在技術(shù)演示階段。
值得一提的是,一些傳統(tǒng)的傳感器變得不可行,當(dāng)應(yīng)用到大型橋梁行不通的長期監(jiān)測。例如,它是一個困難的任務(wù)來測量偏差(絕對位移)的大跨度橋梁。傳統(tǒng)的位移傳感器只能用于相對位移測量,而激光傳感器和總電臺已被證明是不適合長期監(jiān)測的大跨度橋梁。當(dāng)前解決這個問題的辦法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)。然而,應(yīng)用程序的一個GPS橋梁監(jiān)測有兩個限制: (i) (我)測量精度的一個GPS不夠好完全滿足橋梁健康監(jiān)測的要求； (ii)一個GPS并不適合監(jiān)測位移棧橋的橋下面甲板(所造成的船舶碰撞、結(jié)算等)。應(yīng)變測量是另一個問題是至關(guān)重要的橋梁健康評估。有兩種常用的應(yīng)變傳感器:電阻應(yīng)變計和振動線應(yīng)變儀。他們的缺陷:電阻應(yīng)變儀能夠測量動態(tài)應(yīng)變但擁有低穩(wěn)定性導(dǎo)致漂移測量隨著時間的推移,振動線應(yīng)變儀具有較高的零穩(wěn)定但只能用于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測量。這些缺陷的傳統(tǒng)應(yīng)變計有調(diào)用應(yīng)用程序增加創(chuàng)新的光纖傳感器長期檢測大型橋梁。說明了這樣一個應(yīng)用程序,其中光纖傳感器部署在甲板長度的懸浮橋?qū)τ趹?yīng)變和江陰市溫度測量。最具吸引力的身體特征的光纖傳感器是他們能力的分布式傳感與測量這將導(dǎo)致精心制作的狀態(tài)監(jiān)測大規(guī)模橋梁。另一個有前景的應(yīng)用光纖傳感器對電纜支持橋梁是埋置傳感器在大橋電纜對于溫度和應(yīng)變測量。
一個跨學(xué)科的研究團隊在香港理工大學(xué)設(shè)計了這樣一個光纖傳感系統(tǒng)蘇通大橋斜拉橋。在這個設(shè)計中,七出電線電纜截面組合取代了不銹鋼鋼管為部署光纖傳感器。視神經(jīng)纖維在術(shù)語的布里淵散射傳感器鋪設(shè)的應(yīng)變自由在每個鋼管為分布式溫度測量沿著電纜長度。這項技術(shù)的布里淵光時域反射計(b時域反射儀(otdr)使用,由激光脈沖發(fā)射到光纖,作為傳感元件和溫度的測量是通過結(jié)合散射信息與傳播時間的激光脈沖在光纖。它指出,7鍍鋅線已添加的最外層的電纜截面保持總面積的電線不變的。與此同時,光纖布拉格光柵(FBG)傳感器嵌入到這些電纜兩端有應(yīng)變測量。
應(yīng)變的電纜附近的錨地衡量,是環(huán)氧膠和光纖光柵陣列上的外表面管材。光纖光柵陣列的光纖光柵應(yīng)變傳感器包括三個間隔2米。FBGs很敏感的兩個應(yīng)變和溫度。FBGs的溫度得到b時域反射儀(otdr)系統(tǒng),因此應(yīng)變應(yīng)用到FBGs可以確定。因為光纖光柵陣列安裝沿鋼管用于容納b時域反射儀(otdr)溫度測量方法,額外的鋼管和線面積縮小是避開的。
在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的蘇通長江大橋,一個分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PXI / SCXI和MXI-3技術(shù)已經(jīng)被設(shè)計來克服傳輸電纜長度限制,同時最小化DAUs的數(shù)量。該系統(tǒng)由七DAUs連接一個FDDI雙重環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)中央的房間。每道是組成一個火車站(MS)和可選的分站(SSs)。主要的電臺由一個PXI儀器平臺,一個信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊,而電力分站(SS)沒有PXI儀器平臺。每個變電站連接到它的主要站MXI-3界面工具包,遠程控制的火車站。PXI儀器的平臺和一個PXI控制器負責(zé)運作的道、與中央的房間信號預(yù)處理和溝通。在蘇通長江大橋,兩個分站(ss2 1和SS6-1),分別連接到火車站和MS6一,放在了兩個塔(一個在每個塔)基地附近的收集數(shù)據(jù)從傳感器放置低于塔基礎(chǔ)水平,包括那些目前屬于地基穩(wěn)定和安全監(jiān)控系統(tǒng)(1400多個傳感器也參與這個系統(tǒng))。利用MXI-3技術(shù)、傳輸電纜長度限制可以被釋放,沒有雇傭額外的DAUs。在這個設(shè)計中,每個道是能夠支持最多八個子借助MXI-3擴展槽。
