軌道交通大型提籃拱橋健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)設計

趙寧寧 吳偉

摘 要：為解決軌道交通大型提籃拱橋在運營期各類荷載作用下橋梁結構的安全性問題，采用自動化傳感技術、數(shù)據(jù)分析處理技術、數(shù)據(jù)庫及Web等多種技術的集成、整合及應用，提出了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)測點布設、數(shù)據(jù)處理分析、橋梁預警評估等系統(tǒng)設計及功能要求。最終，基于系統(tǒng)設計并建立了軌道交通提籃拱橋健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了動態(tài)掌控橋梁在運營期間的實時安全狀態(tài)、橋梁承載力等運行狀態(tài)，可為橋梁的運營提供數(shù)據(jù)支撐，輔助管理者采取恰當?shù)酿B(yǎng)護決策。

關鍵詞：提籃拱橋;健康監(jiān)測;安全評估;Web;自動化傳感;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

提籃拱橋作為全國首座軌道交通工程跨度最大的拱橋，在特有的軌道交通列車荷載作用下，其振動特性將更加明顯，因而提籃拱橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)需考慮其特有的軌道交通荷載以及身處的地理環(huán)境。為了保障橋梁的適用性、耐久性、完整性和安全性，需實時掌握橋梁的運營及健康狀況，項目主要建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，將常規(guī)的橋梁檢測數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與特有的軌道交通系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)橋梁的綜合安全評估，保障提籃拱橋的運營安全。

提籃拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)主要針對特有軌道交通環(huán)境下運營期間的結構安全狀況，提出了一套健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和評估大橋的承載能力狀況、運營狀態(tài)和耐久能力等，預防意外發(fā)生。

1 工程概況

提籃拱橋樣本為寧波市軌道交通1號線控制性節(jié)點橋梁。提籃拱橋位于高橋西站-高橋站區(qū)間，其主跨為220 m，跨徑組合為（25 +220 +25）m，全長270 m。拱肋平面內(nèi)矢跨比為1/5，吊桿間距為8 m，拱軸線矢高為44 m。

與尋常橋梁不同的是該橋是軌道交通通行橋梁，具有過車時間段固定、列車經(jīng)過時間快等特點，因而遵循周期性疲勞規(guī)律等?；谲壍澜煌蛄旱奶厥馇闆r，采用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有測試精度高、重復性和耐久性好、耐腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強等特點，能夠?qū)崟r反映列車荷載引起的變化，經(jīng)分析后得到實測荷載效應規(guī)律，并結合有限元分析評價列車荷載對本橋安全、耐久性的影響。提籃拱橋橋型布置如圖1所示。

2 系統(tǒng)總體功能概述

本提籃拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合應用傳感器技術、通信技術、Web技術，將實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、在線預警、智能評估等功能進行融合，以實現(xiàn)橋梁安全狀態(tài)的實時監(jiān)測及有效管控。

結合系統(tǒng)預警數(shù)據(jù)要求實時傳輸?shù)忍攸c，建立一個基于分布式數(shù)據(jù)庫技術的橋梁健康監(jiān)測及安全評估預警系統(tǒng)的主體框架，實現(xiàn)橋梁工程技術、橋梁健康監(jiān)測技術、信息技術的結合與橋梁養(yǎng)護管理技術，通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為提籃拱橋的維護管理決策者提供依據(jù)和指導。

結合本軌道交通提籃拱橋的結構特點及監(jiān)測系統(tǒng)建立的總體思路，本系統(tǒng)分為四大模塊，具體功能劃分如圖2所示。

基于上述思路，在充分調(diào)研橋梁檢測評估報告基礎上，結合橋梁的維修加固情況，本系統(tǒng)基于底層多指標維度進行信息綜合，智能預測橋梁結構整體及局部構件的安全狀態(tài)，并輔助本提籃拱橋進行維修維護等決策的制定。

3 本橋監(jiān)測項目及測點布置

根據(jù)本提籃拱橋特點，重點圍繞橋梁環(huán)境荷載、結構關鍵位置內(nèi)力響應、變形位移等方面，針對應力、位移、撓度、加速度等參量進行測點布置設計。結合本提籃拱橋環(huán)境特點、結構受力特性、構造特點和監(jiān)測重點，本項目監(jiān)測內(nèi)容包括以下幾項：

（1）橋墩傾斜監(jiān)測（傾斜儀）;

（2）主梁端位移監(jiān)測（位移計）;

（3）關鍵控制截面內(nèi)力及溫度監(jiān)測（光纖光柵應變計、光纖光柵溫度計）;

（4）索力結構受力監(jiān)測（索力傳感器）;

（5）關鍵控制截面變形監(jiān)測（GPS）;

（6）主梁結構動力特性監(jiān)測（加速度傳感器）;

（7）橋墩沉降監(jiān)測（GPS）。

提籃拱橋監(jiān)測布置點共95個，監(jiān)測項目及監(jiān)測點概況見表1所列。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析模塊是實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測信號進行有效辨識、轉化、應用的系統(tǒng)化過程。處理分析模塊需要能夠自動甄別數(shù)據(jù)的有效性，過濾異常干擾，確保數(shù)據(jù)可靠。

數(shù)據(jù)處理分析主要功能模塊如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析模塊可為進一步進行橋梁危險狀態(tài)識別與預警、橋梁健康與安全評估提供高效的數(shù)據(jù)支持與模型支持。

5 結構安全預警與綜合評估

5.1 模塊功能概述

對本提籃拱橋監(jiān)測得到的各類信號值進行自動化處理及挖掘分析，對環(huán)境荷載作用下的本提籃拱橋的安全狀態(tài)進行異常判別、橋梁服役性能辨識、結構健康狀態(tài)評估。結構安全預警與評估子系統(tǒng)需要具備以下功能：

（1）結合結構設計資料、既往監(jiān)測數(shù)據(jù)以及橋梁檢測數(shù)據(jù)通過模型修正建立本提籃拱橋運營期基準數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)完善基準數(shù)據(jù)模型，用于橋梁工作狀態(tài)分析和安全狀態(tài)評定;

（2）在監(jiān)控中心內(nèi)實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù);

（3）提供豐富的3D圖形化顯示界面，人機交互界面友好，顯示效果簡明、直觀;

（4）對監(jiān)測獲取的各類信號及指標進行時域內(nèi)挖掘分析與趨勢預測;

（5）具備針對本提籃拱橋的安全預警功能，給出結構理論計算值或規(guī)范值，對運營期結構性能退化和結構安全性異常狀態(tài)及時進行識別，實現(xiàn)提籃拱橋安全性在線分析及實時預警;

（6）結合本提籃拱橋基礎信息、施工監(jiān)控、荷載試驗等各類全生命期數(shù)據(jù)對本橋的運行狀態(tài)進行智能評估;

（7）充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對結構狀態(tài)進行評價、診斷、預測分析等，為橋梁運營階段的養(yǎng)護管理提供技術支持;

（8）在橋梁運營階段，每年提交一次監(jiān)測綜合評估報告，尤其在臺風、地震等突發(fā)事件發(fā)生后，及時提交極端事件專題分析報告;

（9）評估結果面向多級結構管理人員，做到簡明、有效;

（10）可根據(jù)評估結果自動提供維護決策建議;

（11）具備系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和報警功能，可在監(jiān)控中心遠程監(jiān)控傳感器系統(tǒng)的運行狀態(tài)，具有設備故障報警功能;

（12）具備遠程信息發(fā)布與共享功能，擁有遠程授權操控能力。

5.2 模塊劃分

根據(jù)該子系統(tǒng)的功能要求，將該子系統(tǒng)分為三個模塊，即數(shù)據(jù)處理分析模塊、橋梁安全預警模塊和橋梁安全評估模塊?？傮w模塊劃分如圖4所示。

5.3 用戶界面

根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求和方案構建用戶界面網(wǎng)站，如圖5所示。

通過用戶界面可以查詢傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且可以對單獨的監(jiān)測量數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，如圖6所示。

6 結 語

本文針對提籃拱橋特有的軌道交通列車荷載作用結構的安全狀況提出了一套健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)，并且形成了一個健康監(jiān)測網(wǎng)站，通過該健康監(jiān)測系統(tǒng)可以查詢橋梁健康狀態(tài)以及對其采集的數(shù)據(jù)進行分析，基于此類情況監(jiān)控本提籃拱橋運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)橋梁存在安全風險隱患便主動預警，保障運營安全。

參 考 文 獻

[1]李毅.基于城市橋梁集群監(jiān)測平臺的系桿拱橋健康監(jiān)測研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]單德山，李喬.鐵路提籃拱橋車橋耦合振動分析[J].西南交通大學學報，2005，40（1）：53-57.

[3]劉羽宇.跨座式單軌交通車輛與軌道梁的動力相互作用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[4]馬松華.列車荷載作用下中承式拱橋吊桿動力響應研究[D].成都：西南交通大學，2015.

[5]馮楚橋.鐵路下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋研究與應用[J].工程與建設，2007（4）：539-541.

[6]曾德榮，張慶明.提籃式拱橋拱肋內(nèi)傾角對橫向穩(wěn)定性的影響[J].重慶交通學院學報，2006，25（S1）：4-8.

[7] WANG P，CHEN R，WEI X K. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031. LONGITUDINAL INTERACTION ANALYSIS OF CONTINUOUS WELDED RAIL ON ARCH BRIDGE[A]. Beijing Jiaotong University，China，Beijing Key Laboratory of Track Engineering. New Technologies of Railway Engineering[C]// Beijing Jiaotong University，China，Beijing Key Laboratory of Track Engineering，2012：6.

[8] JIN X Y. Finite element simulation of railway through concrete-filled steel tube tied arch bridge based on static analysis[A]. Research Institute of Management Science and Industrial Engineering. Proceedings of 2017 5th International Civil Engineering，Architecture and Machinery Conference（ICEAMC 2017）[C]// Research Institute of Management Science and Industrial Engineering，2017：7.

[9]李宏男，天亮，伊延華，等.大跨斜拱橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].振動工程學報，2015，28（4）：574-584.

[10]唐英，胡安慶，張三峰.跨城市軌道交通的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用[J].鐵道建筑，2014（1）：1-3.