橋梁工程長期健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)零碎

PAGE橋梁工程長期健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)研究前言隨著信息技術的發(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網(wǎng)絡實時傳輸給遠方的分析系統(tǒng)并自動做出準確的判斷。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。某大橋作為一座結構新穎、技術難度高和結構復雜的V型剛構組合型橋梁（橋梁總體布置見圖1），有必要開展此項研究，并運用現(xiàn)代化傳感設備與光電通信及計算機技術，建立橋梁結構狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測橋梁運營階段在各種環(huán)境條件下的結構響應和行為，獲取反映結構狀況和環(huán)境因素的信息，而分析結構健康狀態(tài)，評估結構的可靠性，為橋梁的管理與養(yǎng)護提供科學依據(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，結合我國目前在這一領域的實際情況，橋梁長期健康監(jiān)測應力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量，對大橋及其關鍵構件（或部位）的工作狀態(tài)進行實時可靠監(jiān)測，實現(xiàn)多級報警，并通過對測量數(shù)據(jù)的分析處理對結構的異常行為進行自動診斷，對當前結構的安全性進行評估。系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在以下幾方面：（1）綜合性：橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的首要原則是綜合性，要將施工過程監(jiān)測監(jiān)控和運營期長期健康監(jiān)測及狀況評估結合起來，同時要考慮橋梁的養(yǎng)護管理過程，從建好、養(yǎng)好和管好橋梁的角度出發(fā)設計系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠建立橋梁設計、施工、運營、養(yǎng)護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：橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的長期運行必須以工程可靠為基礎，選擇國內(nèi)外有業(yè)績和應用實例的成熟產(chǎn)品和技術，以保證系統(tǒng)要求和功能得以實現(xiàn)。（3）先進性：健康監(jiān)測系統(tǒng)要采用成熟的先進高新技術，使系統(tǒng)的監(jiān)測能力能達到當前的國際先進水平，提高系統(tǒng)建設的科技含量。（4）可操作性和易維護性：健康監(jiān)測系統(tǒng)應易于管理和操作，人機交互界面應直觀易于理解，充分利用系統(tǒng)仿真和可視化技術，避免因復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。（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、邏輯嚴密，各功能模塊之間既互相獨立又互相關聯(lián)，避免故障發(fā)生時的聯(lián)動影響。同時，隨著健康監(jiān)測技術的進步和發(fā)展，系統(tǒng)要能夠擴充以便增強監(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、結構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)需要獲取有關的應力及應變等信息數(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，取得對橋梁結構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、主墩和拱肋關鍵截面應力應變情況和系桿、吊桿索力變化的情況，為分析評價橋梁結構的健康狀況和疲勞可靠性、驗證橋梁設計理論提供依據(jù)，同時，通過測點的應力狀況的變異和索力變化情況發(fā)現(xiàn)結構狀態(tài)的變化，為大橋養(yǎng)護維修提供依據(jù)。2.3變形位移監(jiān)測對主梁的位移、主梁和拱肋的軸線、主墩承臺的標高進行監(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)。機2.閣4稠總體動攪態(tài)特性憶監(jiān)測驗實時掌效握結構下的頻率喝、振型發(fā)和阻尼形特性，襯以及結棍構在各恢種荷載蓬作用下體的動力追響應（拔包括振薯動位移黨和加速搏度）情胳況，為州分析評激估大橋殲的結構宣狀況，槽驗證大穿橋設計蒸理論（紅包括車嗓－橋振競動和風奴致振動漠理論）珠，為運洋營管理購提供依笑據(jù)。弄2.魯5有疲勞腐癢蝕監(jiān)測邊監(jiān)測錨廳室濕度難變化情讓況，為加分析錨稍碇部位孩腐蝕程弟度提供需必要的孟依據(jù)；枯監(jiān)測系孩桿和吊抗桿的魄疲勞損律傷和腐嶄蝕情況印，為評野估系桿燈和吊桿罰的健康甚狀況提鐮供依據(jù)嘆。單2.琴6經(jīng)其他監(jiān)夢測項目搞吊桿的日風致顫吸振情況仰監(jiān)測；遇伸縮縫在的變化賤情況檢帆測；蒙支座反竊力監(jiān)測雕；拱肋休斷面應它力及拱銹腳角應力慎，等等蒜。貨3悄潤系統(tǒng)構陣成耳3.1旺傳感器史子系統(tǒng)廳由各種穴傳感器葡構成，修包括測兵量應力蹦、加速首度、位騾移、溫現(xiàn)度、風驗速及車巧輛荷載奪等的各隊式傳感錘器及與界之匹配京的放大孕裝置、吉二次儀杜表等。鋒用于橋否梁結構陸所處環(huán)詳境的變丹化、車謀輛荷載蛾的變化辦及結構潔響應等敏各種信鄉(xiāng)息的采蠟集。叫3.2稠信息預團處理及退傳輸子攪系統(tǒng)摩由傳感膠系統(tǒng)采粗集到的業(yè)信號，凈需要預友處理后瞞才能傳友輸，否兩則采樣叼數(shù)據(jù)量體過于龐砍大提高言了對數(shù)青據(jù)傳輸狂網(wǎng)絡系秀統(tǒng)的要俯求。根功據(jù)不同寸種類數(shù)擱據(jù)的特晨點，可呆采取壓辦縮、過搶濾等方專式處理秋，然后決由網(wǎng)絡傭通信系叮統(tǒng)傳輸鹿至監(jiān)控幅中心的臥數(shù)據(jù)處鍬理計算種機進行崇處理。奏采用多店級數(shù)據(jù)激采集和咬數(shù)據(jù)處揮理結構挎：叨（茂1懼）實時濁數(shù)據(jù)采鍬集，數(shù)亮字信號定和數(shù)據(jù)施預處理宅，以及江實時超馬限預警釋。折（府2仿）在線軌二次數(shù)岸據(jù)處理宗，數(shù)據(jù)挑存檔，被關鍵結金構數(shù)據(jù)離分析。鳳3.3侮信息處敏理及數(shù)號據(jù)庫子樹系統(tǒng)皆對由網(wǎng)蚊絡通信籠系統(tǒng)傳懶入的監(jiān)桃測數(shù)據(jù)沃進行分烘析處理致，建立魔橋梁監(jiān)鼻測信息梨公共數(shù)淹據(jù)庫。兔通過這謊一適時富反映橋外梁狀況遣的數(shù)據(jù)傅庫，不窯同部門鑼及領域況的人員駕能對自界己感興趟趣的數(shù)印據(jù)進一剛步分析勁處理。津采集到頌的信息摔用三級俗數(shù)據(jù)庫巖結構管燙理，即填長期監(jiān)賠測數(shù)據(jù)玻庫、超擱閾值事運件數(shù)據(jù)凱庫和健無康狀態(tài)是數(shù)據(jù)庫漢。各數(shù)結據(jù)庫的圓定義如載下：訪（系1躍）長期稿監(jiān)測數(shù)照據(jù)庫：蘇用于存奴儲溫度蠶、應變鄉(xiāng)、風速炕及風向灘的原始償數(shù)據(jù)庫丟，便于液今后對哄數(shù)據(jù)進上行精確沿分析、譯查詢及伴校核。宿（蔬2策）超值厭域事件耗數(shù)據(jù)庫孔：用于陳存儲超荒過限值指的溫度踏、應變侄、加速因度、傾楊角、風刺速及風平向的原璃始數(shù)據(jù)忍，便于倚對超域語值事件趴進行重軋點分析法和評估崇。課（氧3料）健康亂狀態(tài)數(shù)冤據(jù)庫：迫用于存旦儲經(jīng)過游與處理后的溫度股、應變樓、加速舒度、傾興角、風壓速及風模向的統(tǒng)偷計數(shù)據(jù)扭，便于涂專家系檢統(tǒng)對橋衡梁的健捆康狀況勢進行快巡速而高字效地分稻析和評扛估。續(xù)3.4徑橋梁結光構健康光狀況評濱估專家捎系統(tǒng)子董系統(tǒng)傻利用橋蝦梁監(jiān)測森信息公如共數(shù)據(jù)掠庫提供沖的信息牙，采用濕人工神簽經(jīng)網(wǎng)絡環(huán)、小波謙分析和節(jié)結構力肆學反萌問題等憲方面的招技術研筒究開發(fā)稀專家系程統(tǒng)，該律系統(tǒng)通凍過施工腰控制過單程的監(jiān)莊測數(shù)據(jù)毅、橋梁啄成橋完付整性檢蝕測的數(shù)果據(jù)，不捕斷學習鐮橋梁生茂命周期丘的環(huán)境湊變化和懶結構響侮應的數(shù)羊據(jù)，建贊立起荷脈載與結妖構響應村之間的思關系。竹從而可喪以在線葉監(jiān)測，狹通過監(jiān)賞測系統(tǒng)泄數(shù)據(jù)掌最握橋梁浪的健康柴狀況，穿如有異瞇常則報帶警。評佩估的策齡略主要邀有橋梁熟健康狀壯態(tài)的定迅期評估咱、超限身值事件紐的評估片分析、海異常狀鍬態(tài)的分莫析及識瓶別、結匆構建模松和分析懶、靜力波承載能具力分析獎和動力瞎特性評涉估等。晝3.5侄開放接岸口子系旅統(tǒng)迫橋梁結蜜構健康前監(jiān)測系堪統(tǒng)采集侄到的各傭種數(shù)據(jù)五信息由逼信息處傭理及數(shù)型據(jù)庫系塵統(tǒng)管理留，這些土數(shù)據(jù)是賺非常寶京貴的資趨源，對開于橋梁境的設計哈單位、音管理維堆護部門繼、交通骨管理部習門及研罩究機構究都有重踩要的意搞義。通份過開放副接口系科統(tǒng)，實象現(xiàn)資源觀共享，皂充分利熄用橋梁粱結構健突康監(jiān)測叨系統(tǒng)，抹實現(xiàn)這這一系統(tǒng)局的價值犬。排3.6際管理控膠制子系倦統(tǒng)選管理控邊制系統(tǒng)酷處于整梅個系統(tǒng)尊的核心憑，整個珍系統(tǒng)的戶軟硬件核的驅(qū)動載控制，傭各子系廣統(tǒng)的協(xié)勝調(diào)運作斯要求有末一個指炎揮中樞喊。信號蔥的采集奇分析、鑒評估策舅略的選礦擇和異綠常情況斃的處理音將由管籮理控制手系統(tǒng)來螺實現(xiàn)。衣3.7腥系統(tǒng)維勸護與保改障子系扁統(tǒng)桑作為適饞時的長印期監(jiān)測案系統(tǒng)，費為使監(jiān)航測系統(tǒng)第能長期予獨立工呼作，必凱須能自駐動檢查慣電源、輛傳感器懂、導線砍、計算呀機等硬趙件是否昏正常工費作，各遺種設備霧是否老沾化及零單點是否皆飄移等豬，以便日及時調(diào)蘇整。躲監(jiān)測系閑統(tǒng)構成載參見附棗圖魂2燒。傳感器布設傳感器布設物理層數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)信息層大橋現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應用層結構計算橋梁仿真信息采集預警預報狀態(tài)評估遠程管理費用分析養(yǎng)護決策支持軟件支持軟件支持軟件犧圖什2從匹健康監(jiān)負測系統(tǒng)借結構圖分4敘惑盛系統(tǒng)運擺用滋建立健繳康狀況士評估專糕家系統(tǒng)獻，其目柜的是如磨何根據(jù)炭實際監(jiān)洞測大橋點獲得的異大量數(shù)羊據(jù)和信袋息，科止學客觀斷地評價先大橋結貪構的安芬全性、摟耐久性花和正常識使用性愧，給橋雖梁的管地理與維日護提供課決策依凝據(jù)。為祝了實現(xiàn)捕這一目先標，必孔須充分惡利用實逢時監(jiān)測克得到的出結構信兩息以及脫橋梁的較歷史記獅錄數(shù)據(jù)貓資料，待才能對扛大橋的鮮結構狀鳴況進行須識別與密評估。飽包括：啦正常運展營交通噴對橋梁隔結構的暢影響評優(yōu)估，超街重車輛遠對橋梁撤承載力投退化的豬影響評換估，橋使梁健康正狀況的咬靜動態(tài)罷特性指厚標評估羨，外界輛的自然熔因素（出風、雨蓋、氣溫怖變化）鞋對橋梁桿結構的桃影響評膏估。鐮通過對妨以上內(nèi)筍容的評管估，分蘿析橋梁膀承受多導大的交長通量是攏安全狀工況，橋便梁的承鞏載潛力方可達到銷何種交旁通量水盞平；分兄析超重倍車輛對辱橋梁承膚載力退甚化的影狠響規(guī)律帥；研究復橋梁結都構健康壇狀況評閑估的靜踩動態(tài)特狀性指標脾；研究白溫度荷罩載對橋所梁結構偶狀況的欲影響以脖及風雨地共同作芽用對系萍桿、吊譯桿及拱壺肋的抖池振影響雕。逗4.1箏建立分砌析模型鞠根據(jù)某瘋大橋的煮結構特嗓點，結益合施工疫的實際賢情況對續(xù)大橋作辰深入分劍析，利仗用這些貪分析結每果建立袖反映大酸橋的數(shù)史字化模怠型，以師此作為左施工過距程監(jiān)測農(nóng)監(jiān)控和旋長期健殃康監(jiān)測隆的基礎鉤，同時姑對影響喜健康狀耽況的各往種技術虛因素作家全面分撓析。酬4屈.次2士監(jiān)測系振統(tǒng)集成儲通過施萄工過程袋試驗（腿主梁和野拱肋的射狀態(tài)、寄系桿和播吊桿的霞振動試氧驗等）朝及成橋吩荷載試卻驗（靜倚載、動砍載試驗舌），分齒析得到纖優(yōu)化的壘測試方喊案，將石所有監(jiān)殼測項目丑集成為棉完整的倘系統(tǒng)，抖完成硬寸件及軟改件的安瑞裝調(diào)試縣，培訓千系統(tǒng)使梅用的操閑作人員芹并交付佛使用。依4.絡3采監(jiān)測分萄析評估撲監(jiān)測系腳統(tǒng)采集獎得到的舍數(shù)據(jù)包墾含了大慎量的橋每梁信息廢，對橋暮梁健康瓦狀況的虧正確評益估必須鄭建立在鄰對監(jiān)測童數(shù)據(jù)正喊確分析及的基礎忙上。其掙過程涉退及數(shù)據(jù)御采集策楚略、數(shù)溪據(jù)有效協(xié)性識別隨和數(shù)據(jù)精信息提流取等環(huán)強節(jié)。倚利用從容監(jiān)測數(shù)鉆據(jù)中提博取的橋繳梁結構單特性參懲數(shù)，進缺行橋梁躁結構狀掀況的初障步評價逼，結合鄙觀測得揭到的橋擁梁環(huán)境懂荷載信之息和其摟他手段未獲得的嚇結構狀胡況，分量析大橋各的動、透靜力安依全性和脹大橋的慘正常使逗用性和膨耐久性料。如出非現(xiàn)異常蘿，則輔雜助人工宋檢測和某無損檢示測手段縫識別結乘構可能泰存在的皇局部損玻傷，預雁報橋梁遭結構隨軟時間變令化產(chǎn)生蓬的疲勞總損傷和儉功能退須化狀況痛，并以耀此作為憐橋梁維舍修養(yǎng)護炕決策的圖依據(jù)。末4.黃4杜技術路滅線朗主要包蛇括大型憑有限元摔分析、彼結構模莊型修正獄、結構巾數(shù)值模鉗擬與仿炊真、試軟驗模態(tài)超分析、刮人工燭神經(jīng)網(wǎng)袖絡、結棵構損傷膚識別、衫結構可繼靠性理粒論和工演程經(jīng)濟桌分析等悲分析方幫法和手牢段。以茅此作為老研究的多平臺，螞結合橋咳梁設計此和管理梁專家的榜知識經(jīng)編驗進行非分析。迎橋梁健盟康狀況胖評估系妹統(tǒng)的技陸術路線館如夫圖泄3動所示。撲（船1否）利用辱橋梁設述計計算貫和歷史壇檢測資采料建立連其有限令元模型期，監(jiān)測乒系統(tǒng)的昌測試數(shù)號據(jù)通過接試驗模漲型分析枝、人工街神經(jīng)網(wǎng)膏絡分析田技術進勸行參數(shù)欣識別。題以此識撕別結果案修正橋盼梁有限跳元模型族，力求盲使修正吸后的有咽限元模盛型在工凈程誤差辟范圍內(nèi)疏表征實浸際的橋演梁結構顆，從而調(diào)建立狀危況評估農(nóng)的起點熟和基準總。菊（少2業(yè)）在長決期監(jiān)測潮過程中援，監(jiān)測逐系統(tǒng)采紛集到的桿數(shù)據(jù)同晚樣需要石進行參存數(shù)識別政。識別迷結果與己基準橋纏梁模型腫在相同鍛荷載水旱平和條既件下的斑計算結額果作比冶較，比樣較的結緞果作為來橋梁損記傷識別塞的輸入歲信息。拐利用橋膜梁結構強損傷識題別技術限，對橋警梁損傷躬的性質(zhì)每、位置疾和程度僻做出判縱斷或估戰(zhàn)計。儲（秤3且）根據(jù)鮮基準橋吊梁模型訊，應用凍結構數(shù)吵值模擬胖與仿真誰技術，腸模擬橋松梁在時紙間歷程慨、意外付事件、護超重車裁輛、溫循度變化藏和風雨輕激勵作鉗用下的輪結構響別應，以氣此估計世橋梁的釀剩余強忌度和壽窯命、可影靠度。寸同時，缸應用工盡程技術立經(jīng)濟理蟻論，對仗橋梁的握生命周粥期成本紛進行分卷析和估流計。鍬（斑4全）根據(jù)吹上述的教分析結徒果，為恢橋梁的晉維修養(yǎng)談護決策卻提供依降據(jù)，或夠者提出貌更為經(jīng)膀濟有效常的橋梁陷檢測和川養(yǎng)護建界議，以惕此保證古橋梁的畜運營安呀全和經(jīng)孟濟效益渾。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集——測試橋梁結構激勵數(shù)據(jù)采集、信號處理傳感系統(tǒng)參數(shù)識別結構模型修正結構模型檢測結構計算及仿真結構損傷識別結構強度計算使用壽命預測可靠性分析及評價生命周期成本分析維修養(yǎng)護