桥梁健康监测系统及其应用.pdf

TRANSPOWORLD 2012No.3/4(Feb)198BRIDGE&TUNNEL桥梁隧道桥梁健康监测系统以现代光电传感技术、网络传输技术及高性能计算机系统为依托，通过结构安全分析和评估软件系统来对桥梁结构受力及变形等进行监测和分析，评估桥梁的承载能力和安全状态，为桥梁运营养护提供有效的科技手段。目前，随着传感监测设备日趋成熟，使用寿命有了很大进步，结构分析评估理论和软件系统不断发展进步，健康监测系统已越来越多的应用到了大型桥梁的养护管理当中。桥梁健康监测系统概述随着我国桥梁建设水平的不断提高，大跨度桥梁、特殊结构桥梁等越来越多的被应用到各条高速公路上，这些大桥、特大桥的运营安全问题也越来越受到大家的关注。桥梁健康监测系统是用工程测量原理、技术和方法以及特种精密工程测量技术，对桥梁主梁各控制断面的位移变形、内力进行定期或实时监测，以便掌握各控制部位的位移变形状态，通过所观测的数据，对桥梁变形的显着性进行分析，从而为总体评估大桥的承载能力、营运状态和耐久能力以及特殊气候、交通条件下或桥梁运营情况严重异常时发出预警信号。桥梁健康监测系统的目标要求和设计组成对监测系统的目标要求监测系统应具有良好的人机交互操作平台、良好的数据可视化功能以及预警、评估决策等功能。系统应能够获取桥梁的真实工作环境和和足够的工作状态信息，以满足结构受力分析、桥梁状态评估等的数据需求。一般来说，桥梁监测系统的功能目标分为监控与评估、设计验证和研究与发展三个方面，针对不同的功能目标，系统的的设计侧重点不同。目前大多数的大跨度桥梁监测系统是以结构监控与评估为目标的。健康监测系统的设计组成桥梁健康监测系统一般由传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构分析与评估系统组成。传感器系统：传感器系统的选择应与监测项目相匹配，一般包括：荷载监测传感器(包括风载、地震荷载及交通荷载)：目的在于记录桥梁经受的各种可变荷载及其历程，解决可靠性评估中的荷载监测问题，也为结构的自诊断分析提供荷载数据。所使用的传感器有:风速仪、动态地称、强震仪、摄像仪等。结构静、动力反应监测传感器：用于监测桥梁在荷载及温度、不均匀沉降等作用下的应力、应变等反应，解决可靠性评估中的效应监测问题，同时也为自诊断系统提供模式样本及结构反演分析的原始数据。常用的传感器有:位移计、倾角仪、应变传感器、拉压力传感器等。几何监测传感器：用于监测桥梁各部位的静态位置和静态位移，以确保结构在使用期内的正常使用性。所使用的传感器有:位移计、倾角仪等。环境监测传感器：主要目标在于监测桥梁所处的物理化学环境，从而为随后的桥梁耐久性评估提供原始数据。所使用的传感器有:电阻式温度计、湿度计、酸性气体监测仪、酸碱度(PH值)传感器、钢筋锈蚀监测装置等。其他数据监测传感器等。数据采集与传输系统：一般包括数据采集单元和数据传输网络两部分：数据采集层：主要包括信号调理设备、A/D 转换设备、数据采集设备以及传输线缆等，用于将传感器信号传输至数据采集设备，并上传到上层处理系统。数据传输网络：主要包括外场数据采集计算机系统（工控机）、光纤调制解调器、通讯传输光缆等。外场数据采集计算机系统对被测物理量量测结果进行预处理(如量测结果的修正换算，主应变计算等)并形成数据文件，通过光纤调制解调器和光缆传输至桥梁健康监测系统中心站。数据处理与控制系统：主要包括数据处理与控制服务器和相应的软件系统。数据处理与控制服务器一般采用一台或数台高性能工作站进行工作。服务器与数据采集与传输系统形成一个计算机网络，通过相应的计算软件，对采集的数据进行可靠性和完整性的判定分析，将有效数据入库保存，对于无效数据则向系统外站发出相应的重采指令。整个系统主要功能是对所收集的数据按一定的方式对各种原始数据进行分解、变换，以获取系统所需要的参数，并将这些参数构造成一定的数据结构形式，形成描述桥梁健康状态的信息数据库。桥梁健康监测系统及其应用 文/孙洪水2012年第3/4期交通世界199(2月)交通世界整理、监测、维护包括原始数据库（常规表观监测数据、实时监测数据）、模型数据库（设计参数数据、有限元模型三维动态数据、理论计算数据）、分析结果数据库（综合计算分析数据）等在内的数据源。结构分析和评估系统：主要包括结构分析和评估工作站及相应的软件系统。结构分析和评估系统一般采用多台高性能工作站作为硬件，通过结构分析和评估软件系统对接收的数据进行分析和评估，达到评估桥梁结构安全状态和对结构出现超安全警戒状态及时提出预警的目标。系统的关键在于软件系统和桥梁结构模型的构建。桥梁健康监测系统在官厅湖特大桥上的应用情况桥梁简介官厅湖特大桥为G6京藏高速跨越官厅湖的一座特大桥梁，由主桥和两岸引桥组成，全长1846m。其上部结构为（1030）米连续T 梁+（65+10110+65）米预应力混凝土连续箱梁+（1030）米连续T 梁，设计荷载为：汽车-超20。挂车-120，是京藏高速河北境内的控制性工程。官厅湖特大桥桥址处地理位置及地质地貌条件极为复杂，处于高地震烈度区（基本烈度为度）。自02 年10 月建成通车后，一直是张家口以北及以西地区车辆进入京津必经的咽喉要道，日平均交通流量高达2.7 万辆之多，其中70%左右是大型货辆，并且超载现象严重。繁忙的交通流量和严重超载车辆直接影响大桥的运营安全和使用寿命，因此对其建立桥梁健康监测系统，实施不间断的结构健康监测和评估，成为保证桥梁运营安全的一个重要手段。官厅湖特大桥健康监测系统的功能目标和意义该系统根据对官厅湖特大桥的结构特点、运营状况及未来交通荷载的变化趋势与预测等，采用实时监测和定期检测的模式，通过获取桥梁结构健康状态和病害损伤的重要信息，实现对该桥结构承载力，运营状况和性能退化的长期监测和评估，为保障大桥的运营安全，提高科学养护和维修的技术水平提供有力的技术支持。通过该系统，能够及时掌握桥梁的实时技术状况和主要病害情况，及时安排养护维修，确保桥梁的运营安全。根据系统的分析评估，能够大大提高桥梁的检查养护维修功效，合理分配使用桥梁养护维修资金，以较小的养护资金，提高桥梁结构的服务年限，保证国民经济发展的公路交通大动脉安全畅通。官厅湖特大桥健康监测系统的的系统特点官厅湖特大桥健康监测系统由现场测试系统、数据传输系统以及数据处理与安全评估系统等组成，其中有“硬件”部分，也有“软件”部分。硬件部分针对本桥特点布置的传感器系统包括：温度、湿度传感器，轴重车速传感器，车辆视频监视器，地震加速度传感器，主梁动挠度测试仪，速度传感器（监测梁体竖向和横向振动），应变传感器等。数据传输网络采用光纤传输。数据处理、分析和桥梁健康评估系统采用高性能服务器及工作站，确保了数据存储和分析运算的需求。针对监控中心与现场距离较远的特点，在现场增设了多台数据采集与控制工作站，用于对数据采集外站采集的数据进行显示、查询和控制。软件部分主要包括信号分析、数据管理、安全评估、安全预警等等。其中数据库系统采用系统采用Microsoft SQL Server2000 作为数据库服务器，可以在不同的操作平台上运行，支持多种不同类型的网络协议。数据管理主要完成数据的采集和存储，原始数据库及其预处理结果的动态数据库一般保存原始数据至少30 天（数据采集工控机），保存预处理结果至少1年，监控中心的数据库服务器一般保存数据的原则为定期存档，备份数据，同时采用外部介质，如光盘，磁盘，磁带机等存储。系统的安全评估采用根据具体情况采用了原始指纹法、趋势分析法、养护管理评判法等，评估依据主要为交通部评估的主要依据为交通部颁桥梁养护技术规范（2004）和相关技术规程，动力模型分析采用了ansys大型有限元软件进行建模分析，确定安全状态的各项指标，各项实时参数超过指标要求时，系统自动进行安全报警。系统的进展情况目前该系统已完成全部的设计安装工作，目前已进入系统调试和试运行阶段。根据近半年的运行情况，系统运转良好，数据采集正常，已为今后的安全评估等积累了一定的基础数据。近期进行的桥梁定期检查结果也验证了系统运行的准确性。桥梁健康监测系统的前景展望目前，桥梁监测技术不断提高，传感监测设备日趋成熟，以现代光电传感、通信技术和高性能计算机系统为依托的桥梁健康监测系统已在我国的许多大型桥梁上得到了应用，典型代表有：江阴长江大桥、润扬长江大桥、铜陵长江大桥等。可以相信，随着大型结构健康监测和安全评估的理论和技术水平的不断完善与提高，大跨桥梁结构健康监测系统必将越来越多的应用到大型桥梁的养护管理中，为桥梁的正常运营和维护提供可靠、先进的技术手段，确保大跨桥梁的安全性和耐久性，为提高桥梁运营养护管理水平发挥更多的作用。作者单位：河北华能京张高速公路有限责任公司