桥梁工程长期健康监测及数字化管养零碎

PAGE桥梁工程长期健康监测及数字化管养系统研究前言随着信息技术的发展，未来的桥梁长期健康监测系统将具有高度的智能、可以精确检测桥梁的健康状况并将数据通过无线传感器和计算机网络实时传输给远方的分析系统并自动做出准确的判断。特别是随着目前光纤传感器的成熟及发展，使得桥梁的长期健康监测成为可能。某大桥作为一座结构新颖、技术难度高和结构复杂的V型刚构组合型桥梁（桥梁总体布置见图1），有必要开展此项研究，并运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，建立桥梁结构状态的数据收集处理系统，实现实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状况和环境因素的信息，而分析结构健康状态，评估结构的可靠性，为桥梁的管理与养护提供科学依据。1系统功能借鉴国内外桥梁工程健康监测的实际经验，结合我国目前在这一领域的实际情况，桥梁长期健康监测应力求用最少的传感器和最小的数据量，对大桥及其关键构件（或部位）的工作状态进行实时可靠监测，实现多级报警，并通过对测量数据的分析处理对结构的异常行为进行自动诊断，对当前结构的安全性进行评估。系统的功能体现在以下几方面：（1）综合性：桥梁结构健康监测系统设计的首要原则是综合性，要将施工过程监测监控和运营期长期健康监测及状况评估结合起来，同时要考虑桥梁的养护管理过程，从建好、养好和管好桥梁的角度出发设计系统。系统要能够建立桥梁设计、施工、运营、养护维修和管理的全过程历史档案数据库，以利于将来的分析评估。（2）可靠性：桥梁结构健康监测系统的长期运行必须以工程可靠为基础，选择国内外有业绩和应用实例的成熟产品和技术，以保证系统要求和功能得以实现。（3）先进性：健康监测系统要采用成熟的先进高新技术，使系统的监测能力能达到当前的国际先进水平，提高系统建设的科技含量。（4）可操作性和易维护性：健康监测系统应易于管理和操作，人机交互界面应直观易于理解，充分利用系统仿真和可视化技术，避免因复杂操作带来的困难和失误。同时，监测系统要能够自我检查和维护。（5）完整性和开放性：系统要能够采集到健康监测及状况评估所需的完整信息，监测过程必须内容完整、逻辑严密，各功能模块之间既互相独立又互相关联，避免故障发生时的联动影响。同时，随着健康监测技术的进步和发展，系统要能够扩充以便增强监测功能，不至于因为系统功能的调整而破坏整个系统。2系统要求健康监测的系统范围包括空间范围和时间范围，空间范围一般是主桥范围，时间范围是从施工过程控制、结构形成过程信息采集和成桥后健康监测和数字化管养系统的实施，以及健康状况分析评估等环节。根据某大桥的工程特点，为满足实时监测与安全评价系统的原则，系统需要获取有关的应力及应变等信息数据：2.1荷载数据主要包括交通荷载数据、环境荷载数据以及温度荷载数据，通过对交通车辆荷载的载重量和流量、自然环境变化情况以及温度变化的监测，取得对桥梁结构的受力分析所必须的参数。2.2受力状况监测实时掌握各测点在车辆荷载、风荷载、温度荷载和地震等外荷载作用下的主梁、主墩和拱肋关键截面应力应变情况和系杆、吊杆索力变化的情况，为分析评价桥梁结构的健康状况和疲劳可靠性、验证桥梁设计理论提供依据，同时，通过测点的应力状况的变异和索力变化情况发现结构状态的变化，为大桥养护维修提供依据。2.3变形位移监测对主梁的位移、主梁和拱肋的轴线、主墩承台的标高进行监测，了解其变化情况，为分析和评估桥梁的健康状况提供依据。机2.阁4稠总体动搅态特性忆监测验实时掌效握结构下的频率喝、振型发和阻尼形特性，衬以及结棍构在各恢种荷载蓬作用下体的动力追响应（拔包括振薯动位移党和加速搏度）情胳况，为州分析评激估大桥歼的结构宣状况，槽验证大穿桥设计蒸理论（红包括车嗓－桥振竞动和风奴致振动漠理论）珠，为运洋营管理购提供依笑据。弄2.鲁5有疲劳腐痒蚀监测边监测锚厅室湿度难变化情让况，为加分析锚稍碇部位孩腐蚀程弟度提供需必要的孟依据；枯监测系孩杆和吊抗杆的魄疲劳损律伤和腐崭蚀情况印，为评野估系杆灯和吊杆罚的健康甚状况提镰供依据叹。单2.琴6经其他监梦测项目搞吊杆的日风致颤吸振情况仰监测；遇伸缩缝在的变化贱情况检帆测；蒙支座反窃力监测雕；拱肋休断面应它力及拱锈脚角应力慎，等等蒜。货3悄润系统构阵成耳3.1旺传感器史子系统厅由各种穴传感器葡构成，修包括测兵量应力蹦、加速首度、位骡移、温现度、风验速及车巧辆荷载夺等的各队式传感锤器及与界之匹配京的放大孕装置、吉二次仪杜表等。锋用于桥否梁结构陆所处环详境的变丹化、车谋辆荷载蛾的变化办及结构洁响应等敏各种信乡息的采蜡集。叫3.2稠信息预团处理及退传输子搅系统摩由传感胶系统采粗集到的业信号，净需要预友处理后瞒才能传友输，否两则采样叼数据量体过于庞砍大提高言了对数青据传输狂网络系秀统的要俯求。根功据不同寸种类数搁据的特晨点，可呆采取压办缩、过抢滤等方专式处理秋，然后决由网络佣通信系叮统传输鹿至监控幅中心的卧数据处锹理计算种机进行崇处理。奏采用多店级数据激采集和咬数据处挥理结构挎：叨（茂1惧）实时浊数据采锹集，数亮字信号定和数据施预处理宅，以及江实时超马限预警释。折（府2仿）在线轨二次数岸据处理宗，数据挑存档，被关键结金构数据离分析。凤3.3侮信息处敏理及数号据库子树系统皆对由网蚊络通信笼系统传懒入的监桃测数据沃进行分烘析处理致，建立魔桥梁监鼻测信息梨公共数淹据库。兔通过这谎一适时富反映桥外梁状况遣的数据傅库，不窑同部门锣及领域况的人员驾能对自界己感兴趟趣的数印据进一刚步分析劲处理。津采集到颂的信息摔用三级俗数据库岩结构管烫理，即填长期监赔测数据玻库、超搁阈值事运件数据凯库和健无康状态是数据库汉。各数结据库的圆定义如载下：访（系1跃）长期稿监测数照据库：苏用于存奴储温度蚕、应变乡、风速炕及风向滩的原始偿数据库丢，便于液今后对哄数据进上行精确沿分析、译查询及伴校核。宿（蔬2策）超值厌域事件耗数据库孔：用于陈存储超荒过限值指的温度踏、应变侄、加速因度、倾杨角、风刺速及风平向的原璃始数据忍，便于倚对超域语值事件趴进行重轧点分析法和评估崇。课（氧3料）健康乱状态数冤据库：迫用于存旦储经过游与处理后的温度股、应变楼、加速舒度、倾兴角、风压速及风模向的统偷计数据扭，便于涂专家系检统对桥衡梁的健捆康状况势进行快巡速而高字效地分稻析和评扛估。续3.4径桥梁结光构健康光状况评滨估专家捎系统子董系统傻利用桥虾梁监测森信息公如共数据掠库提供冲的信息牙，采用湿人工神签经网络环、小波谦分析和节结构力肆学反萌问题等宪方面的招技术研筒究开发稀专家系程统，该律系统通冻过施工腰控制过单程的监庄测数据毅、桥梁啄成桥完付整性检蚀测的数果据，不捕断学习镰桥梁生茂命周期丘的环境凑变化和懒结构响侮应的数羊据，建赞立起荷脉载与结妖构响应村之间的思关系。竹从而可丧以在线叶监测，狭通过监赏测系统泄数据掌最握桥梁浪的健康柴状况，穿如有异眯常则报带警。评佩估的策龄略主要邀有桥梁熟健康状壮态的定迅期评估咱、超限身值事件纽的评估片分析、海异常状锹态的分莫析及识瓶别、结匆构建模松和分析懒、静力波承载能具力分析奖和动力瞎特性评涉估等。昼3.5侄开放接岸口子系旅统迫桥梁结蜜构健康前监测系堪统采集侄到的各佣种数据五信息由逼信息处佣理及数型据库系尘统管理留，这些土数据是赚非常宝京贵的资趋源，对开于桥梁境的设计哈单位、音管理维堆护部门继、交通骨管理部习门及研罩究机构究都有重踩要的意搞义。通份过开放副接口系科统，实象现资源观共享，皂充分利熄用桥梁粱结构健突康监测叨系统，抹实现这这一系统局的价值犬。排3.6际管理控胶制子系倦统选管理控边制系统酷处于整梅个系统尊的核心凭，整个珍系统的户软硬件核的驱动载控制，佣各子系广统的协胜调运作斯要求有末一个指炎挥中枢喊。信号葱的采集奇分析、鉴评估策舅略的选矿择和异绿常情况毙的处理音将由管箩理控制手系统来螺实现。衣3.7腥系统维劝护与保改障子系扁统桑作为适馋时的长印期监测案系统，费为使监航测系统第能长期予独立工呼作，必凯须能自驻动检查惯电源、辆传感器懂、导线砍、计算呀机等硬赵件是否昏正常工费作，各遗种设备雾是否老沾化及零单点是否皆飘移等猪，以便日及时调苏整。躲监测系闲统构成载参见附枣图魂2烧。传感器布设传感器布设物理层数据采集传输系统数据层数据处理及数据库管理系统信息层大桥现场数据处理及数据库管理系统应用层结构计算桥梁仿真信息采集预警预报状态评估远程管理费用分析养护决策支持软件支持软件支持软件牺图什2从匹健康监负测系统借结构图分4叙惑盛系统运摆用滋建立健缴康状况士评估专糕家系统献，其目柜的是如磨何根据炭实际监洞测大桥点获得的异大量数羊据和信袋息，科止学客观断地评价先大桥结贪构的安芬全性、搂耐久性花和正常识使用性愧，给桥虽梁的管地理与维日护提供课决策依凝据。为祝了实现捕这一目先标，必孔须充分恶利用实逢时监测克得到的出结构信两息以及脱桥梁的较历史记狮录数据猫资料，待才能对扛大桥的鲜结构状鸣况进行须识别与密评估。饱包括：啦正常运展营交通喷对桥梁隔结构的畅影响评优估，超街重车辆远对桥梁撤承载力投退化的猪影响评换估，桥使梁健康正状况的咬静动态罢特性指厚标评估羡，外界辆的自然熔因素（出风、雨盖、气温怖变化）鞋对桥梁杆结构的桃影响评膏估。镰通过对妨以上内笋容的评管估，分萝析桥梁膀承受多导大的交长通量是拢安全状工况，桥便梁的承巩载潜力方可达到销何种交旁通量水盏平；分兄析超重倍车辆对辱桥梁承肤载力退甚化的影狠响规律帅；研究复桥梁结都构健康坛状况评闲估的静踩动态特状性指标脾；研究白温度荷罩载对桥所梁结构偶状况的欲影响以脖及风雨地共同作芽用对系萍杆、吊译杆及拱壶肋的抖池振影响雕。逗4.1筝建立分砌析模型鞠根据某疯大桥的煮结构特嗓点，结益合施工疫的实际贤情况对续大桥作辰深入分剑析，利仗用这些贪分析结每果建立袖反映大酸桥的数史字化模怠型，以师此作为左施工过距程监测农监控和旋长期健殃康监测隆的基础钩，同时姑对影响喜健康状耽况的各往种技术虚因素作家全面分挠析。酬4屈.次2士监测系振统集成储通过施萄工过程袋试验（腿主梁和野拱肋的射状态、寄系杆和播吊杆的霞振动试氧验等）朝及成桥吩荷载试却验（静倚载、动砍载试验舌），分齿析得到纤优化的垒测试方喊案，将石所有监壳测项目丑集成为棉完整的倘系统，抖完成硬寸件及软改件的安瑞装调试县，培训千系统使梅用的操闲作人员芹并交付佛使用。依4.络3采监测分萄析评估扑监测系脚统采集奖得到的舍数据包垦含了大慎量的桥每梁信息废，对桥暮梁健康瓦状况的亏正确评益估必须郑建立在邻对监测童数据正喊确分析及的基础忙上。其挣过程涉退及数据御采集策楚略、数溪据有效协性识别随和数据精信息提流取等环强节。倚利用从容监测数钻据中提博取的桥缴梁结构单特性参惩数，进缺行桥梁躁结构状掀况的初障步评价逼，结合鄙观测得揭到的桥拥梁环境懂荷载信之息和其搂他手段未获得的吓结构状胡况，分量析大桥各的动、透静力安依全性和胀大桥的惨正常使逗用性和膨耐久性料。如出非现异常萝，则辅杂助人工宋检测和某无损检示测手段缝识别结乘构可能泰存在的皇局部损玻伤，预雁报桥梁遭结构随软时间变令化产生蓬的疲劳总损伤和俭功能退须化状况痛，并以耀此作为怜桥梁维舍修养护炕决策的图依据。末4.黄4杜技术路灭线朗主要包蛇括大型凭有限元摔分析、彼结构模庄型修正狱、结构巾数值模钳拟与仿炊真、试软验模态超分析、刮人工烛神经网袖络、结棵构损伤肤识别、衫结构可继靠性理粒论和工演程经济桌分析等悲分析方帮法和手牢段。以茅此作为老研究的多平台，蚂结合桥咳梁设计此和管理梁专家的榜知识经编验进行非分析。迎桥梁健盟康状况胖评估系妹统的技陆术路线馆如夫图泄3动所示。扑（船1否）利用辱桥梁设述计计算贯和历史坛检测资采料建立连其有限令元模型期，监测乒系统的昌测试数号据通过接试验模涨型分析枝、人工街神经网膏络分析田技术进劝行参数欣识别。题以此识撕别结果案修正桥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净程误差辟范围内疏表征实浸际的桥演梁结构颗，从而调建立状危况评估农的起点熟和基准总。菊（少2业）在长决期监测潮过程中援，监测逐系统采纷集到的杆数据同晚样需要石进行参存数识别政。识别迷结果与己基准桥缠梁模型肿在相同锻荷载水旱平和条既件下的斑计算结额果作比冶较，比样较的结缎果作为来桥梁损记伤识别塞的输入岁信息。拐利用桥膜梁结构强损伤识题别技术限，对桥警梁损伤躬的性质每、位置疾和程度僻做出判纵断或估战计。储（秤3且）根据鲜基准桥吊梁模型讯，应用冻结构数吵值模拟胖与仿真谁技术，肠模拟桥松梁在时纸间历程慨、意外付事件、护超重车裁辆、温循度变化藏和风雨轻激励作钳用下的轮结构响别应，以气此估计世桥梁的酿剩余强忌度和寿窑命、可影靠度。寸同时，缸应用工尽程技术立经济理蚁论，对仗桥梁的握生命周粥期成本纷进行分卷析和估流计。锹（斑4全）根据吹上述的教分析结徒果，为恢桥梁的晋维修养谈护决策却提供依降据，或够者提出貌更为经膀济有效常的桥梁陷检测和川养护建界议，以惕此保证古桥梁的畜运营安呀全和经孟济效益浑。数据采集数据采集——测试桥梁结构激励数据采集、信号处理传感系统参数识别结构模型修正结构模型检测结构计算及仿真结构损伤识别结构强度计算使用寿命预测可靠性分析及评价生命周期成本分析维修养护