城市級橋梁群結(jié)構(gòu)監(jiān)測研究★

沃曉楠 郭書峰

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

1 概述

城市橋梁指城市范圍內(nèi)，修建在河道上的橋梁和道路與道路立交、道路跨越鐵路的立交橋。近年，城市橋梁建設(shè)速度突飛猛進，數(shù)量眾多，橋梁形式和構(gòu)造各異，橋梁分布區(qū)域廣，城市橋梁集群在為社會經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮積極作用的同時，其安全監(jiān)管工作面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。

為更好地做好城市橋梁群的監(jiān)管、養(yǎng)護工作，研究城市級橋梁群監(jiān)測，利用橋梁結(jié)構(gòu)計算、計算機信息技術(shù)、傳感測試、信號分析、自動控制、移動通信、結(jié)構(gòu)有限元分析、構(gòu)件巡檢管理等多專業(yè)跨行業(yè)技術(shù)融合，為城市橋梁建立數(shù)字化、信息化的“橋梁電子檔案”[1]，服務(wù)于城市橋梁的百年服役期。

2 城市級橋梁群監(jiān)測平臺構(gòu)建

2.1 總體架構(gòu)

平臺架構(gòu)按照空間布局分為內(nèi)場監(jiān)測中心和外場橋梁現(xiàn)場，內(nèi)場主要功能是實現(xiàn)健康監(jiān)測、安全報警、狀態(tài)評估和實時監(jiān)控，外場由一系列橋梁群上采集器組成。監(jiān)測中心與現(xiàn)場設(shè)備之間通過專用的遠程傳輸模塊通信，從而實現(xiàn)了內(nèi)外場的互聯(lián)互通，監(jiān)測中心由橋梁監(jiān)測管理服務(wù)器集群組成，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、計算和顯示。監(jiān)測中心能夠根據(jù)各橋上傳到平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判別每個橋梁的安全使用狀況，一旦遇到超限荷載或極端環(huán)境能及時激發(fā)報警，將訊息快速傳遞給大橋管理者，后者及時采取橋梁應(yīng)急管理措施，服務(wù)于管養(yǎng)，見圖1。

2.2 網(wǎng)絡(luò)形式

外場橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)測中心通過虛擬專網(wǎng)VPN連接，橋群中的每座橋均有一條VPN鏈路，監(jiān)測中心有一條匯總數(shù)據(jù)VPN鏈路，每座橋梁現(xiàn)場由光纖數(shù)據(jù)冗余環(huán)網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)，見圖2。

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)基于GIS平臺和分布式數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，建立一個三層C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)的城市級橋群結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。利用通訊光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸平臺，將結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測站和監(jiān)測中心有機地鏈接為一個分布式的整體。遠程客戶端可以直接從采集服務(wù)器處獲取數(shù)據(jù)，無需經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲過程，而且多個數(shù)據(jù)采集服務(wù)器可并行提供實時數(shù)據(jù)傳輸。整個系統(tǒng)利用GIS實現(xiàn)空間信息和非空間信息的集成，用于存貯、顯示、查詢、分析和表示各種與結(jié)構(gòu)健康相關(guān)聯(lián)的信息，真正滿足整個系統(tǒng)數(shù)字化、高資源利用效率以及可持續(xù)發(fā)展的要求，見圖3。

2.4 軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)功能由各個子系統(tǒng)分工協(xié)作實現(xiàn)，通過系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)功能圖，可以明確軟件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)工作流程，滿足用戶對系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的要求。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、存儲數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文件方式保存實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；對收集的各種數(shù)據(jù)，采用預(yù)警評估處理方法和數(shù)據(jù)后處理方法，計算預(yù)警評估信息，最終向用戶提供實時監(jiān)測與預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計和系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控等模塊，實現(xiàn)用戶對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用以及系統(tǒng)維護方面的需求，見圖4。

系統(tǒng)平臺由地理信息系統(tǒng)、用戶權(quán)限管理、設(shè)備管理、后臺管理、健康監(jiān)測與安全預(yù)警子系統(tǒng)和交通實時監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成。1)用戶權(quán) 限管理負責(zé)控制整個平臺的用戶訪問權(quán)限；2)設(shè)備管理功能相對獨立；3)后臺管理功能負責(zé)平臺的異常信息報警管理和信息發(fā)布以及健康監(jiān)測與安全預(yù)警子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置功能；4)健康監(jiān)測與安全預(yù)警子系統(tǒng)為平臺提供監(jiān)測和預(yù)警的實時數(shù)據(jù)，為地理信息系統(tǒng)提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；5)交通實時監(jiān)控子系統(tǒng)為平臺提供車載和視頻數(shù)據(jù)；6)地理信息系統(tǒng)作為平臺的一個入口顯示地理信息數(shù)據(jù)及某些三維橋梁模型的展示，在模型上提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示及其他模塊跳轉(zhuǎn)的功能。

2.5 數(shù)據(jù)同步

本平臺的數(shù)據(jù)分析等對時間同步有較高的要求，例如GNSS數(shù)據(jù)和撓度數(shù)據(jù)進行時域?qū)Ρ葧r需要進行絕對時間同步，因此需在監(jiān)測中心統(tǒng)一設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器，作為精確時鐘源，提供本網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)時鐘服務(wù)器內(nèi)置GNSS 接收機模塊，接收GNSS信號輸出的時間為基準(zhǔn)并提供NTP，SNTP時鐘協(xié)議服務(wù)。本系統(tǒng)時間顯示統(tǒng)一采用北京時區(qū)時間，24小時制式。

系統(tǒng)中的LINUX/UNIX/Windows Server 2012操作系統(tǒng)服務(wù)器，Windows 7操作系統(tǒng)工作站等同步協(xié)議采用NTP協(xié)議，在各個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器上安裝時鐘同步軟件與時鐘服務(wù)器進行同步；系統(tǒng)中采用LINUX，UNIX，SUN SOLARIS，IBM AIX等操作系統(tǒng)的路由器及交換機等也進行時鐘同步。

通過IEEE1588 和NTP/SNTP時鐘同步方案，自動與GNSS標(biāo)準(zhǔn)時間校對實現(xiàn)10 μs以內(nèi)同步精度，滿足實時同步采集要求，見圖5。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)界面

用戶界面主要實現(xiàn)Web端實時監(jiān)測界面的顯示，主要分為監(jiān)測總覽界面、實時預(yù)警界面及各實時監(jiān)測項界面。

在單個橋梁的健康監(jiān)測界面，根據(jù)各橋具體監(jiān)測項目的不同特點劃分不同的監(jiān)測單元，監(jiān)測單元主要包括：溫濕度監(jiān)測項、風(fēng)荷載監(jiān)測項、位移監(jiān)測項、傾斜監(jiān)測項、應(yīng)變監(jiān)測項、結(jié)構(gòu)動力及振動監(jiān)測項、溫度場監(jiān)測項、GNSS監(jiān)測項、車軸車速儀監(jiān)測項等，見圖6，圖7。

3.2 數(shù)據(jù)分析

橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以分為一級評估、二級評估兩個方面[2]。本文以慶豐橋為例首先結(jié)合規(guī)范[2]進行一、二級評估工作，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖8～圖10。

除了規(guī)范規(guī)定的評價方法之外，本文還提出了一些反映橋梁綜合性能的指標(biāo)。下面以慶豐橋的振動舒適性示例。

評價橋面振動舒適性，主要是考慮主梁在車輛荷載作用下的豎向振動加速度。主梁豎向加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)報表如圖11所示。

按Sperling舒適度指標(biāo)進行振動舒適性評價。Sperling舒適度指標(biāo)是我國鐵道車輛乘坐舒適度評價指標(biāo)，適用于頻率0.5 Hz～20 Hz的豎向振動或0.5 Hz～26 Hz的橫向振動，指標(biāo)值按下式[3,4]計算：

其中，a為振動加速度，cm/s2；f為振動頻率，Hz；F(f)為與振動頻率有關(guān)的修正系數(shù)，Sperling評價指標(biāo)的頻率加權(quán)系數(shù)因振動方向不同而不同，對豎向振動當(dāng)頻率在0.5 Hz～5.9 Hz時為0.325乘以頻率的平方。由于慶豐橋振動頻率很低，對小于0.5 Hz時此處偏安全地取頻率加權(quán)系數(shù)為0.325×0.52=0.081 3,見表1。

表1 Sperling指標(biāo)舒適度評定等級

本次渦振的結(jié)果如表2所示。

表2 Sperling指標(biāo)舒適度評價結(jié)果

評估結(jié)果表明，慶豐橋振動不會產(chǎn)生不舒適。

4 結(jié)語

本文根據(jù)城市橋梁群特點，構(gòu)建了一套城市級橋梁群監(jiān)測管理平臺。通過對監(jiān)測平臺采集和存儲的數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果表明構(gòu)建的監(jiān)測平臺能實現(xiàn)城市級橋梁群監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性、實時性和同步性。以寧波市橋梁群結(jié)構(gòu)監(jiān)測為例，闡述了監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，并以慶豐橋為例詳細的介紹了結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析。