桥梁监测专项方案

摘要和关键词【摘要】结合工程实践，对桥梁监测系统进行了总体介绍，能够初步了解桥梁监测系统组成。分析了桥梁对应危险有害原因并进行了对应分类，同时，对检测过程中多种传感器选择选择和使用也做了对应介绍，本文同时对桥梁监测系统数据采集，分析和对应过程进行了介绍，叙述了每个部分应用和各个系统之间联络，是比较系统和完善对桥梁监测系统做了对应介绍，伴随时代进步，安全监测会凸显出其关键性。【关键词】桥梁监测系统；监测设备；危险源；传感器；数据分析；1、桥梁监测系统1.1桥梁检测介绍桥梁安全监测是在传统桥梁检测技术基础上,利用现代化传感设备和光电通信及计算机技术,实时监测桥梁运行阶段在多种环境条件下结构响应和行为,获取反应结构情况和环境原因信息,由此分析结构健康状态,评定结构可靠性,为桥梁管理和维护提供科学依据。在偶发事件(如地震)发生后,可经过监测数据识别结构损伤和关键部位改变,对桥梁结构承载能力和抗风、抗震能力做出客观定量评定。因为桥梁(尤其是斜拉桥、悬索桥)力学和结构特点和所处特定环境,在桥梁设计阶段完全掌握和估计结构力学特征和行为是很困难,桥梁设计依靠于理论分析并经过风洞、振动台模拟试验估计桥梁动力性能并验证其动力安全性。而结构理论分析常基于理想有限元模型,而且分析时常以很多假定为前提,这种模拟试验和计算假定可能和真实桥位不完全相符。所以,能够经过桥梁健康监测所取得实际结构动静力行为,能够验证桥梁结构分析模型、计算假定和设计方法合理性,而且监测数据可用于深入研究桥梁结构及其环境中未知和不确定性问题。而且桥梁健康监测信息反馈于结构设计更深1.2桥梁监测系统结构桥梁监测系统就是经过对桥梁结构进行无损检测,实时监控结构整体行为,对结构损伤位置和程度进行诊疗,对桥梁服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评定,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运行情况严重异常时触发预警信号,为桥梁维修、养护和管理决议提供依据和指导。桥梁监测系统基础组成图1所表示。图1桥梁检测系统基础组成框图1.3桥梁监测系统特点桥梁监测系统作为现代桥梁系统中必不可少一部分，有着极其关键地位，对桥梁安全和争产运行起到了极其关键作用，基于对桥梁监测系统研究，其含有以下部分共同特点:(1)经过测量结构多种响应传感装置获取反应结构行为多种统计.(2)除监测结构本身状态和行为以外,还强调对结构环境条件(如风、车辆荷载等)监测和统计分析;同时,试图经过桥梁在正常车辆和风载下动力响应来建立结构“指纹”,并借此开发实时结构整体性和安全性评定技术.(3)在通车运行后连续或间断地监测结构状态,努力争取获取大桥结构信息连续而完整.一些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量.(4)监测系统含有快速大容量信息采集、通讯和处理能力,并实现数据网络共享.1.4桥梁监测系统监测方面桥梁监测基础内涵即是经过对桥梁结构状态监控和评定,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运行情况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护、维修和管理决议提供依据和指导.为此,监测系统对以下多个方面进行监控:(1)桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下结构响应和力学状态。(2)桥梁结构在突发事件(如地震、意外大风或其它严重事故等)以后损伤情况。(3)桥梁结构构件耐久性,关键是提供构件疲惫情况真实情况。(4)桥梁关键非结构构件(如支座)和隶属设施(如斜拉桥振动控制装置)工作状态。(5)大桥所处环境条件,如风速、温度、地面运动等。2、桥梁危险源2.1桥梁中危险原因桥梁中存在很多原因会造成桥梁发生事故，对这些原因研究有利于我们对桥梁事故愈加好估计和分析，能够愈加好地避免事故发生，降低人员伤亡和财产损失，所以，桥梁监测系统所监测原因关键有以下几方面。(1)荷载。包含风、地震、温度、交通荷载等。(2)几何监测。监测桥梁各部位静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形改变、位移等。(3)结构静动力反应。监测桥梁位移、转角、应变应力、索力、动力反应(频率模态)等。(4)非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。2.2桥梁事故事故树分析针对可能发生桥梁事故，分析造成原因事件，然后依据这些原因事件建造事件树，确定成立事故方案，并应用ANSYS软件等工具计算出桥梁结构在多种可能原因事件和多种可能事故方案作用下空间应力状态；最终经过对这些可能事故方案分析来确定事故原因及机理。具体分析过程图2所表示。图2基于可靠性事故分析模型假如某工程事故在事故原因调查分析时经过教授意见、现场调查、文件搜集和回顾等确定有3种可能事故原因事件(E1,E2,E3)，则有6种可能事故方案，图3所表示。图3全部可能引发事故方案在完成事件树建造以后，下一步就是对每个破坏事件进行品质分析(也即这些事件发生条件概率)和确定每种事故方案发生概率.假如事故方案中某一事件条件概率小于事故发生极限概率值，则认为该事故方案不成立，而只需要对那些成立方案进行分析，图4所表示.图4研究事故方案经过上述理论，能够形成事件树分析法对事故分析步骤.(1)确定或寻求可能造成事故事件.破坏事件可经过教授意见、工程现场调查、文件搜集和回顾等确定；(2)确定可能造成事故严重后果初因破坏事件，全部事故失效事件全部有可能是初因失效事件；并对初因事件进行分类，对于那些可能造成相同事件树初因事件可划分为一类；(3)建造事件树，对事件进行分析，排除包含事件条件概率小于极限失效概率值事故方案，确定成立事故方案；(4)对事故方案进行仿真计算，计算出多种事件作用时对结构应力状态影响，并比较分析确定这些事件对事故权重；(5)评价被调查事故方案发生可能性，找出事故原因.3、桥梁传感器3.1桥梁监测系统中传感器桥梁检测系统中因为检测原因过多，所以会使用到种类众多传感器，具体传感器类型包含：(1)应变/温度传感器——测量混凝土构件内部应变和温度分布。(2)斜拉锁索力计(锚索计和智能拉索）——测量斜拉索索力。(3)静力水准仪——测量桥梁沿桥轴线方向各断面相对高程改变、即挠度。(4)倾角计——测量桥梁墩柱、索塔、箱梁等构件偏转角。(5)加速度/速度计——测量桥梁运行过程中自振和强迫振动动态特征。(6)位移计——测量斜拉桥索塔和主梁之间相对纵向位移。(7)桥梁线形及变位永久监测网——由基准站、测站和监测点组成，定时监测桥梁几何线形改变。3.2桥梁中针对不一样原因所使用传感器桥梁中不一样原因因为性质差异大，则需要选择对应传感器，下面是针对不一样原因所使用对应传感器：(1)荷载。包含风、地震、温度、交通荷载等。所使用传感器有:风速仪——统计风向、风速进程历史,连接数据处理系统后可得风功率谱;温度计——统计温度、温度差时程历史;动态地秤——统计交通荷载流时程历史,连接数据处理后可得交通荷载谱;强震仪——统计地震作用;摄像机——统计车流情况和交通事故。(2)几何监测。监测桥梁各部位静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形改变、位移等。所使用传感器有:位移计、倾角仪、GPS、电子测距器(EDM)、数字像机等。(3)结构静动力反应。监测桥梁位移、转角、应变应力、索力、动力反应(频率模态)等。所使用传感器有:应变仪——统计桥梁静动力应变应力,连接数字处理后可得构件疲惫应力循环谱;测力计(力环、磁弹性仪、剪力销)——统计主缆、锚杆、吊杆张拉历史;加速度计——统计结构各部位反应加速度、连接数据处理后可得结构模态参数。(4)非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。3.3桥梁中针对不一样原因监测方法和频率桥梁中包含到原因有静态有动态，有有形有没有形，所以针对不一样原因要采取不一样方法和频率。依据桥梁中不一样原因所属种类不一样，将对应原因进行了对应分类，同时给出了对应监测手段。下表1中具体列出了不一样原因监测方法和频率。表1不一样原因分析表4、桥梁监测系统具体实施方案在桥梁监测系统中不一样功效目标所要求监测项目不尽相同.绝大多数桥梁监测系统监测项目全部是从结构监控和评定出发,部分也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题研究为目标.假如监测系统考虑含有结构设计验证功效,那就要取得较多结构系统识别所需要信息,所以,对于大型桥梁,需要较多传感器部署于桥塔、加劲梁和缆索/拉索各部位,以取得较为具体结构动力行为并验证结构设计时动力分析模型和响应估计,另外,在支座、挡块和一些联结部位需安设传感器获取反应其传力、约束情况等信息.4.1桥梁监测方案中组成部分（1）硬件部分监测系统硬件关键用于桥梁参数采集和数据处理，在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理，并设置工作站计算机进行实时监控，在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据传输和采集，在桥梁不一样位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态监测。原始数据采集设备以下：(1)风力风向监测设备成桥后风荷载是桥梁结构关键动力荷载之一。在风荷载作用下，桥梁关键构件索、梁和塔全部将产生振动，引发疲惫损伤累积，造成桥梁抗力衰减。经过监测风速、风向，统计最大风速值、风荷载脉动特征及风功率谱密度等，能够得出结构风和结构响应关系，从而对结构进行风致振动分析。(2)环境温度监测设备经过环境温度监测，能够分析环境温度对结构静力响应影响，以使基于静力测试识别方法能更正确地反应结构基准状态；能够分析环境温度对振动特征影响，以使基于振动测试损伤检测方法能更正确；能够估计可能出现极限环境温度荷载。同时，空气湿度对结构耐久性影响也较大。环境监测中温度和湿度监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是关键参数指标，另外温湿度监测能够为系统采集站设备工作环境控制提供参考数据。(3)结构温度监测设备构件温度分布情况将直接影响到结构变形和内力状态，构件温度场中温差效应实际分布也是设计单位关心一个关键结构参数；对结构温度分布情况监测能够用于分析结构温度场对结构静力响应影响，以使基于静力测试识别方法能更正确地反应结构基准状态；能够帮助分析结构温度场对振动特征影响，以使基于振动测试损伤检测方法能更正确。所以温度荷载监测能够帮助考察可能出现极限温度场荷载，为结构分析提供帮助。另外温度场监测可为部分监测设备做温度赔偿。(4)地震监测设备地震荷载监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处地震动加速度时程及其频谱，为结构整体和局部动静力响应及灾后评定提供依据，为大桥管理部门处理突发事件提供资料。(5)动态交通荷载监测交通荷载监测首先能够对运行期大桥交通量进行统计，对过桥车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测，当车辆超载时可给出预警。其次，车辆交通荷载监测能够为结构响应大小提供对比参考，提供桥梁是否处于无车辆活荷载近似恒载判定依据，作为桥梁恒载状态对比分析前提条件。(6)结构应变监测设备对构件应力监测能够分析求解出测点应力情况。结构应力是关键结构局部信息，一旦应力超限，便可能造成材料开裂或破坏，进而造成构件和桥梁破坏。应变指标是运行期间安全性预警关键信息，也是结构状态分析参考信息，尤其对部分关键结构部位(如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等)，必需对其进行监测。(7)主梁挠度监测设备桥梁主梁挠度直接反应了主梁目前整体受力状态，桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定关键指标。(8)索塔倾斜监测设备桥塔是斜拉桥关键承重构件，桥塔一旦出现较大倾斜，整个斜拉桥会有倾覆危险。另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布表现。(9)主梁及索塔空间变位监测设备主梁和索塔空间变位是反应大桥安全状态及进行内力状态评定分析关键参数，是结构安全预警关键指标。(10)整体位移监测设备斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形，这种纵向变形将经过伸缩缝处主梁端部位移来反应。伸缩缝处主梁端部位移和温度之间含有一定对应关系，经过监测能够掌握主梁纵向变形情况，假如主梁纵向变形异常(变形未被释放)，则会造成主梁出现较大温度应力，这对主梁安全将产生危险。(11)斜拉索索力监测设备斜拉索是斜拉桥最关键受力构件，斜拉索索力改变直接反应桥梁结构受力状态改变，关系到整座大桥安全，经过索力监测能够为运行期间安全性提供直接预警信息和状态评定信息。(12)动力特征监测设备桥梁动力特征参数改变(频率、振型、模态阻尼系数)是桥梁构件性能改变标志。桥梁振动水平(振动幅值)反应桥梁安全运行状态。桥梁自振频率降低、桥梁局部振型改变可能预示着结构刚度降低和局部破坏，是进行结构损伤评定关键依据。(13)腐蚀监测设备桥墩支撑着整个桥梁，一旦出现问题，后果极其严重。桥墩所处位置环境恶劣，多种腐蚀原因会造成桥墩混凝土耐久性降低，经过对桥墩处混凝土耐久性CL一腐蚀进程监测，能立即掌握桥墩混凝土腐蚀程度，在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可立即进行补救。在桥梁现场设置工作站进行数据转换后，将光信号和模拟信号转换成数字信号，经过光缆传输到监控分中心，在现场工作站设置一套同时时钟系统，以确保各个设备采集数据同时性。（2）软件部分监测系统要实现全桥整体状态监测，离不开最终软件系统数据分析和处理，其中，又能够把软件系统分为三大块，分别是：(1)数据采集和传输系统数据采集和传输系统是整个监测系统实现首要条件，经过这个子系统，实现了对传感器信号采集、处理、存放、传输和显示功效，现场设备和数据服务器紧密联络，能够随时对所需要数据进行调用。(2)数据处理和分析系统这个子系统是桥梁监测系统关键，它完成桥梁巡检、养护管理及预警功效，实现巡检动态数据录入、存放、导出、上传功效。达成桥梁监测系统要求数据接收和处理服务器上数据传输、数据下载、数据处理及数据存放等功效，并经过WEB统一门户形式，提供给用户使用。(3)数据库管理系统依据系统运行数据规模和系统功效要求，数据库管理系统利用数据库软件，作为结构监测系统数据存放及共享平台。这个子系统是整个系统基础。软件部分三个子系统实际上是密不可分，系统进行数据分析，不仅仅是自动采集，也包含人工巡检后录人数据库数据。其中桥墩变位、斜拉索索力、斜拉索探伤、钢结构焊缝探伤、腐蚀、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土裂缝测量、桥面线形、桥面情况、混凝土表观情况、钢结构情况、斜拉索情况、阻尼器情况、伸缩缝情况、支座情况、桥梁抗震设施、人行通道、护栏情况、其它设施情况等全部需要人工巡检后录入。4.2桥梁监测系统中部署4.2.1桥梁中传感器/作动器网络优化设计准则不管是以静力作用下结构参数识别还是动力作用下桥梁模态识别为关键目标监测情况，下面部分优化设计准则是常见（1）识别(传输)误差最小准则该方法关键点是连续对传感网络进行调整，直至识别(传输)目标误差达成最小值为至。基础思想是逐步消防那些对目标参量独立性贡献最小自由度，以使目标空问分辩率达成最好程度；该准则即适于静力作用下结构参数识别也适于动力作用下桥梁模态识别。（2）模型缩减准则在模型缩减中常常将系统自由度区分为关键自由度和次要自由度，缩减以后模型应保留关键自由度而去掉次要自由度。将传感器配置于这些关键自由度上测得结构效应或响应，应能很好反应结构动、静力特征。（3）插值拟合准则有时传感器优化配置目标是为了利用有限测点效应(对动力而言为响应)来取得未测量点响应。这时可采取插值拟合方法取得目标点(未测量点)响应，为了得到最好效果，可采取插值拟合误差最小标准来配置传感器。（4）模态应变能准则其基础思想是含有较大模态应变能自由度上响应也比较大，将传感器配置于这些自由度所对应位置上将有利于参数识别。这一方法需要借助有限元分析法。针对以上标准设计出最好试验方案，因为不一样桥梁设计方案不尽相同，在此不一一赘述。4.3桥梁监测系统总体运行桥梁监测系统由外场设备进行数据采集，由软件进行数据归纳分析，对桥梁整体状态进行评定，并依据桥梁初始状态暨通车前交工后状态和正常运行时状态进行对比，设定桥梁危险信号预警值，当系统分析桥梁不安全时，会自动发出警报，实现尽早发觉、尽早处理管理方法，能够提前规避重大事故发生。5、桥梁监测系统分析数据方法5.1分析数据对应方法（1）有限元法有限元“化整为零”思想十分简单明了.它把一个复杂结构分解成相对简单“单元”,各单元之间经过结点相互连接.单元内物理量由单元结点上物理量按一定假设内插得到,这么就把一个复杂结构从无限多个自由度简化为有限个单元组成结构.只要分析每个单元力学特征,然后根据有限元法规则把这些单元“拼装”成整体,就能够得到整体结构力学特征.进行有限元分析,能够基于计算机语言编程,如:Fortran和Matlab等.同时,亦有众多有限元商用软件流行,其中平面分析有限元软件有:中国有桥梁博士、桥梁通和GQJX,国外有Midas等;空间分析通用有限元软件大多为国外,有:Midas,ANSYS,NASTRAN,ADINA和ABAQUS等,它们包含众多单元类型,能求解各类问题.5.2数据处理步骤（1）数据预处理这一过程在数据采集单元内完成,关键进行简单统计运算,如:设定时段内最大值、最小值、均值、方差和标准差等,计算结果作为初级预警输入.（2）数据二次处理在数据处理和分析服务器上进行,关键计算方法,如:傅立叶变换、HHT变换和小波变换等及其它方法,步骤图1所表示.其中动力数据处理具体方法及其比较见表2.图2数据二次处理计算方法及步骤框图（3）数据后处理关键进行监测数据高级分析,如:实时模态分析、桥梁特征量和环境原因之间相关性分析和非线性回归分析等.因为这些方法常需占用一定计算时间,这一过程往往离线进行,分析数据来自动态数据库和已备份原始数据库.5.3数据预处理和传输系统数据预处理工作由数据采集单元完成，以对信号进行调理、滤波、A/D转换，和进行简单统计处理，并将信号经过系统主干光纤网络传输给数据处理和控制服务器。现场数据采集单元同时管理当地NAS存放，当上位机或主干网故障时，现场采集单元经过降档控制继续实施数据采集工作，并确保经预处理采集数据在当地NAS保留30d。5.4数据处理和分析系统数据处理和分析系统运行在监控分中心桥梁监测工作站上，经过网中网连接并控制各被测桥梁现场控制单元，并经由现场控制单元和现场安装传感器和采集设备通讯。运行数据处理和分析软件桥梁监测工作站应装备足够缓冲内存、网卡、合适备份设备、光纤网络接口和实施数据处理分析操作模块；数据处理和分析系统管理一个桥梁信息数据库和一个动态数据库，桥梁信息数据库用于存放采集到原始数据、处理结果、评定汇报、桥梁运行档案等相关信息。动态数据库用于保留桥梁结构目前原始数据和预处理结果。动态数据库信息保留30；桥梁信息数据库中信息经过定时存档、备份作永久保留，以保持数据连续性。5.5系统集成系统硬件由传感器、现场采集设备、通信链路、供电电路、接地防雷设备、远程监控工作站等组成。依据总体功效要求及现场环境条件，数据采集系统采取分布式部署监控中心设一远程监控工作站进