大跨斜拱橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

李宏男，田 亮，伊廷華，任 亮

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院，遼寧大連116023)

大跨斜拱橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

李宏男，田 亮，伊廷華，任 亮

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院，遼寧大連116023)

沈陽伯官大橋是中國首座六跨中承式飄帶形提籃斜拱橋，為確保該橋在施工及服役期間的安全，對其設(shè)計并安裝了一套完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了安裝系統(tǒng)的儀器選型及測點布設(shè)方案，監(jiān)測系統(tǒng)的功能、構(gòu)成及其實現(xiàn)過程，包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以及狀態(tài)評估子系統(tǒng)。為滿足傳感器數(shù)量多、分布廣、信號測量精度和同步性要求高的需求，自主研發(fā)了一套分布式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)同步采集儀器，實現(xiàn)了多類型傳感器及多終端設(shè)備之間的精準(zhǔn)同步采集。該監(jiān)測系統(tǒng)為實時監(jiān)測橋梁的響應(yīng)，在線把握橋梁的性態(tài)，合理制定橋梁的養(yǎng)護計劃，提供了有效的手段。

拱橋；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；有限元分析；數(shù)據(jù)同步采集；系統(tǒng)集成

引 言

由于車輛荷載、環(huán)境侵蝕、人為作用以及養(yǎng)護維修不及時，橋梁結(jié)構(gòu)在其長期服役期間將不可避免地發(fā)生累積損傷和疲勞破壞。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)的性能進行實時地監(jiān)測與診斷，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害進行預(yù)測，并評估其安全性，已成為土木工程學(xué)科發(fā)展的必然要求［1］。所謂結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，就是利用現(xiàn)場的、無損的、實時的方式采集結(jié)構(gòu)與環(huán)境信息，分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)的各種特征，獲取結(jié)構(gòu)因環(huán)境因素、損傷或退化而造成的改變［2］。

目前世界上許多大橋已相繼安裝了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如加拿大的Confederation橋安裝了一套結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁在風(fēng)荷載、車輛荷載、冰荷載以及地震等作用下的動力響應(yīng)進行了有效地監(jiān)測［3］；日本的Akashi Kaikyo大橋安裝了包括地震儀、風(fēng)速儀、加速度計、速度計、GPS以及位移計等多種傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁進行了有效的動態(tài)監(jiān)測。此外，像挪威的Skarnsundet斜拉橋、丹麥的Great Belt East懸索橋、美國的Sunshing Skyway斜拉橋、韓國的Seohae斜拉橋等均安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，取得了良好的監(jiān)測效果。自20世紀(jì)90年代開始，中國在各種形式的大型橋梁上也逐步開始安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。在懸索橋領(lǐng)域：香港青馬大橋布設(shè)了大量的加速度傳感器及應(yīng)變計，并安裝了風(fēng)速儀和GPS系統(tǒng)，用以長期監(jiān)測外部荷載和橋梁響應(yīng)，該系統(tǒng)是當(dāng)時世界上規(guī)模最大的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)之一［4］；廣州虎門大橋建立了三維位移GPS實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，先期安裝的7臺GPS信號接收機，實現(xiàn)了大橋的全天候連續(xù)高精度測量，為研究該橋的實際服役性能提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［5］；潤揚長江大橋除了對車流狀況、氣候環(huán)境、索塔沉降等進行了常規(guī)監(jiān)測，還對主跨位移、鋼箱梁截面應(yīng)力、鋼索拉力以及懸吊體系和索塔的振動等進行了重點監(jiān)測［6］。在斜拉橋領(lǐng)域：朱永等［7］設(shè)計開發(fā)了大佛寺長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)采集到大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢驗了其開發(fā)的光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)和激光/光電位移撓度測量系統(tǒng)的可行性和可靠性；山東濱州黃河公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)［8］，包括對風(fēng)荷載、溫度、應(yīng)變、位移和加速度等物理量的全面監(jiān)測，該系統(tǒng)在成橋試驗中記錄了大橋在各種工況下的響應(yīng)，為評估橋梁的實際性能起到了良好的效果；近年建成的蘇通大橋安裝了14類共計788個傳感器用以監(jiān)測橋梁的服役狀態(tài)，并將日常的養(yǎng)護管理融入到實時的監(jiān)測系統(tǒng)［9］。與懸索橋和斜拉橋這種纜索支撐體系橋梁相比，關(guān)于拱橋的監(jiān)測研究工作還相對較少。但隨著拱橋跨度的不斷增大和造型的日益復(fù)雜，關(guān)于拱橋的長期服役性能監(jiān)測也逐漸引起了研究人員的重視。如丁

睿［10］對巫峽長江大橋建立了一套分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)，成功檢測到了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的維護和加固起到了重要作用；張彪等［11］對瀛洲大橋開展了基于光纖光柵傳感器的橋梁監(jiān)測研究，主要是對主副拱和橋墩結(jié)合部的倒三角區(qū)、中跨主梁內(nèi)的高強鋼絞線系桿和拱結(jié)構(gòu)等進行了重點監(jiān)測，取得了良好的監(jiān)測結(jié)果。

1 工程背景

沈陽伯官大橋橫跨沈陽渾河，北接棋盤山，南連沈撫新城，橋梁總長885 m，橋?qū)?2 m，雙向六車道，如圖1所示。該橋是中國首座六跨中承式飄帶形提籃斜拱橋；橋的拱肋采用變截面矩形空心鋼箱體系，上下游拱肋之間組成三維空間結(jié)構(gòu)，最大跨徑120 m，最大拱高67 m；拱座以上拱肋雙向傾斜，呈倒V狀，內(nèi)傾17°，除主跨拱肋外其余拱肋均無橫向風(fēng)撐；吊桿采用雙索面布置，共計172根；主梁采用鋼-混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)，混凝土橋面板通過剪力釘與吊桿橫梁相連。

圖1 沈陽伯官大橋鳥瞰圖Fig.1 Birdview of Shenyang Boguan Bridge

伯官大橋結(jié)構(gòu)形式新穎、受力復(fù)雜，比如除主跨拱肋外，上下游拱肋間均無橫向風(fēng)撐且為陡拱，使其自身穩(wěn)定性較差；橋面采用格構(gòu)式體系，造成其整體性不強；拱腳處各構(gòu)件相互交錯，構(gòu)造復(fù)雜，屬于應(yīng)力較為集中的薄弱部位。此外，考慮到該橋的車流量較大，若定期封閉交通對其進行檢測與維護，既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟。因此，無論是從安全的角度出發(fā)，還是從經(jīng)濟性上考慮，都有必要對其建立一套完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的功能需求

目前，安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要存在3個方面的問題：1)不同類型的傳感器缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺，難以實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換；2)不同待測物理量之間難以實現(xiàn)同步控制與采集，這使得系統(tǒng)的損傷識別與安全評估無法基于同步監(jiān)測數(shù)據(jù)；3)監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)與軟件系統(tǒng)不能有效集成，使得系統(tǒng)采集的海量數(shù)據(jù)無法得到及時充分的利用。為了克服這些問題，所設(shè)計的健康監(jiān)測系統(tǒng)擬具備以下功能：

(1)針對不同類型的數(shù)據(jù)能夠進行同步控制與采集；

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長期、遠(yuǎn)程、實時監(jiān)測；

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲，并具備可視化的人機交互界面；

(4)能夠?qū)Νh(huán)境荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行分級實時預(yù)警；

(5)能夠?qū)Υ髽蜻M行損傷識別及安全評估，并提供合理的維護建議。

2.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

為實現(xiàn)伯官大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)期功能，首先對系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，如圖2所示。整個

健康監(jiān)測系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)，即：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)。其中前兩個子系統(tǒng)位于大橋現(xiàn)場，后兩個子系統(tǒng)則位于橋端的監(jiān)測中心內(nèi)。

圖2 沈陽市伯官大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Structural health monitoring system for Shenyang Boguan Bridge

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

通過對橋梁進行有限元數(shù)值分析，可以確定橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，為傳感器的選型和布設(shè)位置，以及各監(jiān)測量閾值的設(shè)定提供依據(jù)。為此，本文首先采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS-CIVIL對伯官大橋建立了空間桿系有限元模型，如圖3所示。整個模型包括6 597個梁單元，174個桁架單元，1 518個板單元，6 365個節(jié)點。模型中混凝土拱肋、鋼拱肋、拱間橫梁、吊桿橫梁、樁基礎(chǔ)等采用空間梁單元模擬；吊桿和系桿采用桁架單元模擬；承臺和橋面板采用板單元模擬。為提高計算效率，將拋物線式拱軸線離散成若干直線段的空間梁單元；雙索面布置的吊桿通過換算截面特性按照單索面模擬；橋面系建模中，忽略二期鋪裝，將其以均布荷載的形式施加到吊桿橫梁的各節(jié)點上。約束條件的確定是建模中的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中伸縮縫通過放松板端約束模擬；鋼混拱座與承臺之間的連接則采用彈性連接模擬；樁基礎(chǔ)底部固結(jié)，為精確模擬樁-土相互作用，樁基單位長度節(jié)點的邊界條件采用土彈簧模擬。

3.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析可反映結(jié)構(gòu)在外界激勵下的振動形態(tài)，對橋梁結(jié)構(gòu)而言，往往是前幾階振型起控制作用，本次分析重點關(guān)注前10階模態(tài)。采用子空間迭代法對該橋進行模態(tài)分析，首先進行靜力計算，將預(yù)應(yīng)力施加到結(jié)構(gòu)上，然后將二期鋪裝、防撞墻、欄桿、人行道、綠化槽等二期恒載以均布荷載的形式施加到吊桿橫梁上，以考慮其對結(jié)構(gòu)振動的影響。表1給出了模態(tài)分析得到的橋梁前10階模態(tài)頻率，包含了前3階水平振動、前3階扭轉(zhuǎn)振動和前4階豎向振動，振型如圖4所示。

圖3 伯官大橋有限元模型Fig.3 Finite element model of the Shenyang Boguan Bridge

表1 橋梁的前10階模態(tài)頻率Tab.1 The first 10 modal frequency values

4 傳感器子系統(tǒng)

4.1 傳感器選型及布置方案

根據(jù)橋梁模態(tài)分析結(jié)果可見，前10階振型中鋼箱拱腳、主梁和吊桿的振動幅度相對較大，相比其他部位，在外界激勵下更易發(fā)生振動破壞，因此選擇以下4個部位進行重點監(jiān)測：1)吊桿內(nèi)力監(jiān)測；2)主梁振動監(jiān)測；3)鋼箱拱腳應(yīng)力監(jiān)測；4)鋼箱拱位移監(jiān)測。此外，考慮到風(fēng)荷載是大橋承受的主要荷載之一，因此對風(fēng)速風(fēng)向也進行了監(jiān)測。表2詳細(xì)列出了系統(tǒng)的監(jiān)測項目、傳感器選型及布置數(shù)量。圖5為傳感器布設(shè)位置詳圖。

4.2 監(jiān)測方案的具體實施

4.2.1 吊桿內(nèi)力監(jiān)測

吊桿是拱橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，易于受環(huán)境腐蝕和疲勞損傷而發(fā)生斷裂，如綦江彩虹橋、宜賓南門大橋、運村大橋等均由吊桿斷裂而導(dǎo)致垮塌。因此對吊桿內(nèi)力進行實時的跟蹤監(jiān)測顯得非常必要，這是本次監(jiān)測的一個重點。如所周知，由于拱肋變位和橋面變位等因素影響，短吊桿比長吊桿更容易產(chǎn)生彎曲和剪切變形，使得短吊桿受力更加復(fù)雜且不利［12］。同時，考慮吊桿本身的受力大小，應(yīng)選擇內(nèi)力較大的短吊桿進行內(nèi)力監(jiān)測。

圖4 橋梁的前10階模態(tài)振型Fig.4 The first 10 modes of the bridge

表2 監(jiān)測項目及傳感器的類型Tab.2 Monitoring items and sensor type

該橋在成橋時施工監(jiān)控單位利用油壓千斤頂法對吊桿內(nèi)力進行了測量，本文則利用建立的有限元模型對吊桿內(nèi)力進行了數(shù)值計算，如圖6所示，可見施工監(jiān)控測得的吊桿內(nèi)力、數(shù)值計算得到的吊桿內(nèi)力與吊桿內(nèi)力設(shè)計值基本吻合，從而也說明了有限元模型建立的精確性。綜合上述三者結(jié)果可知，各跨最端部的吊桿內(nèi)力最小，其余吊桿內(nèi)力分布相對較為均勻。考慮到各跨每端部第2根吊桿長度相對較短，因此選擇這些吊桿進行內(nèi)力監(jiān)測，其中3#跨跨度大，吊桿數(shù)量多，為保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性，又選取了另外兩根吊桿進行監(jiān)測。本次監(jiān)測共選擇了20根吊桿進行監(jiān)測，測點為圖7箭頭所指吊桿。

圖5 伯官大橋傳感器布置位置圖Fig.5 Distribution of sensors in Shenyang Boguan Bridge

圖6 橋梁吊桿內(nèi)力分布圖Fig.6 Internal force distribution of the suspender

目前，吊桿內(nèi)力測試通常采用油壓千斤頂法、壓力傳感器法和振動頻率法等，其中前兩種方法僅適用于吊桿張拉過程中的內(nèi)力測試，而對成橋狀態(tài)的吊桿內(nèi)力進行監(jiān)測，振動頻率法幾乎是唯一選擇。振動頻率法利用附著在吊桿上的高靈敏度傳感器，拾取吊桿在環(huán)境隨機激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波和頻譜分析確定吊桿自振頻率，然后根據(jù)索力與自振頻率的關(guān)系求得吊桿索力［13］。本次吊桿監(jiān)測采用LC0101加速度傳感器。該橋為加強對吊桿的保護，在其外側(cè)包裹了一層哈弗護套。哈弗護套的存在給傳感器的布設(shè)帶來一定的困難，因此需要對傳感器支座進行特別設(shè)計。首先在哈弗護套上開一個矩形切口，將傳感器緊固在吊桿上，然后用自制的PVC護套對被切割位置進行防水密封處理。這種設(shè)計不僅沒有對哈弗護套造成過大的破壞，而且非常便于以后傳感器的檢查與維修，如圖8所示。

4.2.2 主梁的振動監(jiān)測

對主梁進行振動監(jiān)測，可利用獲得的橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，對有限元模型進行修正，并可以對結(jié)構(gòu)進行進一步的損傷識別和狀態(tài)評估。有效獨立法是目前土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的傳感器優(yōu)化布設(shè)算法。因此采用有效獨立法對加速度傳感器的最優(yōu)布設(shè)位置進行了計算，這里分別給出了10，20以及30個測點時的傳感器布設(shè)情況，綜合考慮振型的可視性、對稱性以及施工條件的限制，最終選擇12個測點布設(shè)傳感器，即主跨的L/4，L/2和L/4位置和其余邊跨的中央位置，如圖9所示。本次監(jiān)測同樣選擇了LC0101加速度傳感器，工程施工時，將傳感器固定于吊桿橫梁的預(yù)埋件上，如圖10所示。

4.2.3 鋼箱拱的應(yīng)力監(jiān)測

鋼箱拱由預(yù)應(yīng)力鋼混拱座與鋼拱肋構(gòu)成，鋼拱肋以一定角度與拱腳處的預(yù)應(yīng)力鋼混拱座相接在一起形成復(fù)雜的三維空間拱肋體系。鋼箱拱主要承擔(dān)吊桿傳來的橋梁自重及車輛荷載，是重要的承載構(gòu)件。為保證鋼箱拱在服役期間的安全，應(yīng)對其應(yīng)力進行實時監(jiān)測。傳感器的具體布設(shè)位置將直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)是否能夠正確反映鋼箱拱的服役狀態(tài)。為了選取合理的測點，采用有限元模型對鋼箱拱受力狀態(tài)進行了三維數(shù)值模擬，有限元模型如圖11(a)所示。圖11(b)為鋼箱拱的應(yīng)力分布圖，可以看到在自重及車輛荷載作用下，鋼混拱座頂部應(yīng)力較大。同時考慮到鋼混拱座為不規(guī)則的實體構(gòu)造，而鋼混拱座頂部又為兩種不同材料構(gòu)件的連接處，所以預(yù)應(yīng)力鋼混拱座頂部即為鋼箱拱最為薄弱的部位，應(yīng)對其應(yīng)力進行重點監(jiān)測。

圖7 吊桿內(nèi)力測點布設(shè)方案Fig.7 Monitoring points layout for the suspenders

圖8 加速度傳感器的安裝與保護Fig.8 Installation and protection of accelerometer

圖9 主梁加速度傳感器布設(shè)方案Fig.9 Accelerometers layout for main beam

應(yīng)力監(jiān)測通常采用電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計、壓電陶瓷和光纖光柵傳感器等方法，其中光纖光柵傳感器具有精度高、壽命長、耐腐蝕和潮濕、抗電磁干擾等優(yōu)點，非常適合橋梁結(jié)構(gòu)的長期在線監(jiān)測。本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器對鋼混拱座的應(yīng)力進行監(jiān)測，同時使用光纖光柵溫度傳感器進行溫度補償。由于光纖光柵傳感器比較脆弱，在施工中容易遭到破壞，因而將其封裝在一個自制的PVC套管內(nèi)，這樣既保護了傳感器的尾纖，同時可以避免溫度傳感器與混凝土接觸，構(gòu)造如圖12所示。

圖10 安裝在主梁上加速度傳感器Fig.10 Accelerometer installed on the girder

圖11 鋼箱拱有限元分析Fig.11 Finite element analysis of steel box arch rib

4.2.4 鋼箱拱位移監(jiān)測

鋼箱拱的空間位置是衡量該橋是否處于正常服役狀態(tài)的一個重要標(biāo)志。若鋼箱拱的空間位置發(fā)生變化，必然影響大橋的承載能力及構(gòu)件的內(nèi)力分布。因此對鋼箱拱位移進行監(jiān)測，能從整體上把握橋梁的整體性能?？紤]GPS中的RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)具有高效、快速、全自動、全天候、高精度等優(yōu)點，非常適合大橋在惡劣環(huán)境下的位移監(jiān)測［14］，因此本項目采用GPS對鋼箱拱位移進行在線監(jiān)測。利用有限元模型對鋼箱拱位移進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)3#跨鋼箱拱頂端的豎向位移最大，橫向位移可忽略不計，而4#跨鋼箱拱頂端的豎向位移稍小于3#跨，但橫向位移卻遠(yuǎn)大于3#跨，說明3#跨拱頂橫向風(fēng)撐的設(shè)置大大減小了拱肋的橫向位移。因此將位移測點布設(shè)在未設(shè)橫向風(fēng)撐的4#跨鋼箱拱頂。鋼箱拱位移監(jiān)測共采用了一臺GPS基準(zhǔn)站及兩臺GPS流動站，圖13為安裝在鋼箱拱頂部的GPS天線。

4.2.5 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

在大橋運營過程中，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)響應(yīng)的重要影響因素。因此，對橋梁風(fēng)荷載進行了重點監(jiān)測與研究?？紤]到沈陽的霜凍天氣時間較長，選擇了具有防冰霜涂層設(shè)計的RMYoung 05103-45風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其量程與精度均滿足工程實際要求，如圖14所示。

圖12 光纖光柵傳感器的安裝與保護Fig.12 Installation and protection of FBG sensor

圖13 安裝在橋梁上的GPS流動站Fig.13 GPS rover station installed on the bridge

圖14 安裝在橋梁上的風(fēng)速風(fēng)向傳感器Fig.14 Anemometer installed on the bridge

5 系統(tǒng)的開發(fā)與集成

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，首先對各子模塊進行相對獨立的開發(fā)，然后采用Lab VIEW對各子模塊進行集成。圖15給出了系統(tǒng)的可視化界面，采用LED顯示方式，點擊軟件上橋梁任一測點位置的LED燈，系統(tǒng)即可顯示該傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化趨勢。此外，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)自動分類存儲功能，用戶指定基本存儲路徑后，系統(tǒng)自動按“年-月-日-系統(tǒng)時間”的順序建立子目錄，方便用戶在海量數(shù)據(jù)中調(diào)用需要的文件。

圖15 沈陽伯官大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)界面Fig.15 User interface of structural health monitoring system for Shenyang Boguan Bridge

5.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，主要功能是實現(xiàn)多種物理量信號的采集、調(diào)理及預(yù)處理，并通過光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

5.1.1 數(shù)據(jù)采集單元

光纖光柵傳感器和加速度傳感器為本系統(tǒng)布設(shè)的主要傳感器，若分別用不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對兩類傳感器信號進行采集，則兩類信號的分析相對獨立，難于實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。因此，為實現(xiàn)上述兩類傳感器基于同一采集平臺同步采集數(shù)據(jù)的功能需求，基于NI CompactRIO平臺與Lab VIEW軟件自主研發(fā)了光纖光柵與加速度傳感器同步采集系統(tǒng)。NI Compact RIO平臺主要由3部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、可重配置現(xiàn)場編程門陣列(Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA)和實時控制器。分別采用不同的數(shù)據(jù)采集模塊對兩類傳感器信號進行采集；基于FPGA的可編程邏輯陣列，對兩類數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計同步執(zhí)行的邏輯電路，以實現(xiàn)兩類信號的同步采集；使用實時控制器模塊將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到上位機中，并根據(jù)上位機的指令控制FPGA及實時控制器的運行［15］。Lab VIEW軟件可與Compact RIO平臺無縫銜接，因此使用Lab VIEW編寫該同步采集系統(tǒng)的控制程序，包括FPGA程序、Real-Time程序和上位機程序3部分。FPGA程序可直接對Compact RIO平臺上的FPGA模塊進行配置，并針對不同類型的數(shù)據(jù)創(chuàng)建不同的先進先出數(shù)據(jù)緩存器(First In First Out，簡稱FIFO)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集與儲存；Real-Time程序從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)類型和采集時間，給數(shù)據(jù)加入標(biāo)識，然后將數(shù)據(jù)打包傳送至上位機程序；為實現(xiàn)多狀態(tài)的連續(xù)跳轉(zhuǎn)，上位機程序采用狀態(tài)機架構(gòu)，將接收到的數(shù)據(jù)包解壓后，將不同類型的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、顯示及報警等功能。圖16為同步采集系統(tǒng)的原理示意圖，該系統(tǒng)實現(xiàn)了全橋120個光纖光柵傳感器和32個加速度傳感器的同步控制與采集，保證了兩類傳感器的協(xié)調(diào)工作。

5.1.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由一級、二級和三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖17所示。一級網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號采集，考慮到傳感器分布位置及傳輸信號衰減等因素影響，將數(shù)據(jù)采集裝置安放在大橋的鋼箱拱內(nèi)；二級網(wǎng)絡(luò)將所有信號轉(zhuǎn)化為光信號，經(jīng)過光纖光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)，由大橋現(xiàn)場傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；三級網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問與管理，遠(yuǎn)程客戶端經(jīng)過因特網(wǎng)連入本地系統(tǒng)，使得大橋管理部門既可以在大橋監(jiān)測中心也可以在遠(yuǎn)程客戶端對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理。整個信號傳輸網(wǎng)絡(luò)均基于TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，保證了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性。

5.2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)由安裝在監(jiān)測中心的高性能數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，其功能主要包括快速存儲實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各功能模塊間的數(shù)據(jù)交換以及與因特網(wǎng)相連以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。本健康監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)了156個傳感器，每天24 h連續(xù)實時采集，數(shù)據(jù)量巨大且數(shù)據(jù)類型繁多，如何對其進行有效的管理直接關(guān)系到整套系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。本項目采用大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000作為中心數(shù)據(jù)庫，在Lab-VIEW開發(fā)平臺上進行集成，使用數(shù)據(jù)庫連接工具包(Database Connectivity Toolkit，簡稱DCT)作為Lab VIEW對SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫的訪問工具。DCT具備多種功能模塊，可方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的存儲、查詢、修改及遠(yuǎn)程訪問等操作。針對不同類型的數(shù)據(jù)，分別建立不同的數(shù)據(jù)表。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將被分類存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)。圖18為DCT訪問數(shù)據(jù)庫的流程圖。圖19為數(shù)據(jù)分類存儲的程序框圖。

圖16 光纖光柵與加速度傳感器同步采集系統(tǒng)原理示意圖Fig.16 The schematic diagram of synchronous acquisition system for FBG and accelerometer

圖17 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖Fig.17 Diagram of data transmission network

圖18 DCT訪問數(shù)據(jù)庫的流程圖Fig.18 Flowchart of DCT accessing database

5.3 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)由安裝在監(jiān)測中心內(nèi)的高性能計算機組成，其功能主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度分析與處理，結(jié)構(gòu)異常響應(yīng)的自動診斷及預(yù)警，大橋有限元模型的修正以及結(jié)構(gòu)安全狀況的有效評估。本系統(tǒng)由4個功能模塊構(gòu)成：自動預(yù)警模塊、模型修正模塊、狀態(tài)及損傷識別模塊、安全評估模塊。圖20給出了本系統(tǒng)運行的流程圖。

(1)自動預(yù)警模塊：采用指示燈及聲音預(yù)警、手機短信和E-mail相結(jié)合的方式進行報警。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析方法合理設(shè)定結(jié)構(gòu)各參數(shù)的報警閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)處理超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)將自動啟動報警功能。

(2)模型修正模塊：利用系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)對大橋有限元模型進行及時的修正，使有限元模型能夠準(zhǔn)確地反映和預(yù)測結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別及安全評估提供參考數(shù)據(jù)。

(3)狀態(tài)及損傷識別模塊：基于多尺度小波變換的損傷識別算法，采用在Lab VIEW平臺調(diào)用MATLAB小波分析的方法，對大橋重要構(gòu)件的狀態(tài)參數(shù)及損傷情況進行自動識別，并給出適當(dāng)?shù)木S護建議。

(4)安全評估模塊：結(jié)合現(xiàn)場巡檢結(jié)果，采用基于變權(quán)的層次分析法，對橋梁的安全狀態(tài)做出評估，并生成結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估報告。

圖19 數(shù)據(jù)存儲的程序框圖Fig.19 Flowchart of data storage

圖20 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)運行流程圖Fig.20 Flowchart of structural condition assessment subsystem

6 結(jié)束語

為保證伯官大橋施工及服役期間的安全，結(jié)合大橋的結(jié)構(gòu)特點，對其建立了一套完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，得出以下主要結(jié)論：

(1)建立了伯官大橋的三維空間有限元模型，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，找到了結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為傳感器選型及測點布設(shè)提供了依據(jù)。

(2)詳細(xì)介紹了傳感器的選型及測點布設(shè)方案，開發(fā)了光纖光柵與加速度傳感器同步采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩類信號的同步精確采集，保證了兩類傳感器的協(xié)調(diào)工作，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別及安全評估奠定了基礎(chǔ)。

(3)整套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，首先對各個子系統(tǒng)分別進行設(shè)計與實現(xiàn)，然后基于Lab VIEW軟件開發(fā)平臺進行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)與軟件系統(tǒng)的有效集成，為實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能奠定了基礎(chǔ)。

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Design and development of structural health monitoring system for long span skew arch bridge

LI Hong-nan，TIAN Liang，YI Ting-hua，REN Liang
(School of Civil Engineering，F(xiàn)aculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

Shenyang Boguan Bridge is the first half-through 6-span X skew arch bridge in China.To ensure the safety during its construction and service，a complete set of structural health monitoring system is designed and installed on it.In this paper，the schemes of instrument selection and placement of measuring points，as well as the function，composition and realization of the monitoring system including the sensor subsystem，data acquisition and transmission subsystem，data management subsystem and condition assessment subsystem are introduced in detail.To satisfy the high-standard requirement of the quantity，distribution，measuring accuracy and synchronism，a set of distributed data synchronous acquisition instrument for structural health monitoring is self-developed，which realizes the accurate synchronous acquisition between multi-type sensors and multiterminal instruments.This monitoring system has provided an effective means of real-time monitoring responses，on-line mastering the performance and reasonable planning the maintenance of the bridges.

arch bridge；structural health monitoring；finite element analysis；data synchronous acquisition；system integration

U445.7；U447

A

1004-4523(2015)04-0574-11

10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2015.04.010

李宏男(1957—)，男，長江學(xué)者特聘教授。電話：(0411)84709539；E-mail：hnli@dlut.edu.cn

2014-01-13；

2015-04-14

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金資助項目(51421064)；國家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器專項(51327003)；國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助(51222806)