橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化研究

沈立中 張?zhí)餃?/p>

摘? ? 要：橋梁健康監(jiān)測管理系統(tǒng)是基于傳感系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)、信息處理分析系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，集自動監(jiān)測和安全性評估、分級預(yù)警為一體的系統(tǒng)。其主要功能是對橋梁的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過數(shù)據(jù)處理分析，綜合評判橋梁運(yùn)營狀態(tài)時結(jié)構(gòu)性能并進(jìn)行安全等級評估，如若超過安全狀態(tài)時系統(tǒng)給出維修意見或緊急處理對策并進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，將結(jié)構(gòu)缺損位置及缺損程度等信息通知到養(yǎng)護(hù)管理中心，這大大改善了傳統(tǒng)管養(yǎng)的不足之處。而現(xiàn)階段國內(nèi)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要存在著以下幾類問題：（1）監(jiān)測系統(tǒng)布點設(shè)置針對性不明確。（2）傳感器類型多，硬件無法全面兼容性。（3）采取獨立式管理系統(tǒng)，無法做到數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)式。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測;系統(tǒng)優(yōu)化;斜拉橋

1? 系統(tǒng)優(yōu)化總體目標(biāo)及設(shè)計原則

1.1總體目標(biāo)

進(jìn)一步提升橋梁的科學(xué)化管理水平，通過整合資源、合理規(guī)劃，將自動化監(jiān)測技術(shù)與人工巡檢技術(shù)相結(jié)合，以構(gòu)建一個集約高效、技術(shù)先進(jìn)、易于管理、開放兼容、實用經(jīng)濟(jì)、符合橋梁管理需求的現(xiàn)代化、信息化橋梁管理平臺，具體包含以下方面：

（1）為橋梁科學(xué)有序的養(yǎng)管工作提供一個綜合管理平臺，建立基于橋梁巡檢養(yǎng)護(hù)綜合管理系統(tǒng)（包括電子人工巡檢子系統(tǒng)等）的橋梁全壽命期信息化“檔案”。

（2）建立橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)，有效地掌控重要橋梁的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展演化趨勢，對橋梁運(yùn)營期出現(xiàn)的各類異常狀況及時作出診斷、預(yù)警，根據(jù)需求對橋梁健康狀況進(jìn)行綜合評估，最終確保橋梁的安全運(yùn)營。

（3）并針對不同突發(fā)性事故，提出應(yīng)急措施及決策方法，輔助管理單位快速做出應(yīng)對措施，提高管理水平，并建立橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和應(yīng)急指揮信息的多重發(fā)布平臺。

（4）為橋梁科學(xué)監(jiān)測管理提供一個平臺，可對多座重點橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測集中式管理、對橋梁進(jìn)行巡檢養(yǎng)護(hù)信息化管理及安全預(yù)警等綜合管理，可與智慧交通平臺等多部門共享交通信息，進(jìn)行聯(lián)動管理，預(yù)留其他重要基礎(chǔ)設(shè)施在線監(jiān)測系統(tǒng)接口，共享監(jiān)測管理信息，實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管理。

1.2? 設(shè)計原則

為使橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)成為一個功能強(qiáng)大并能真正長期用于橋梁養(yǎng)護(hù)管理，同時具備經(jīng)濟(jì)效益和高水平的橋梁健康監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能構(gòu)建遵循如下原則：

（1）強(qiáng)調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)性，遵循“簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理”的原則。

（2）滿足橋梁養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營維護(hù)的需要，同時兼顧考慮科學(xué)試驗與設(shè)計驗證等方面因素。

（3）根據(jù)實際需要，采用實時監(jiān)測、定期監(jiān)測及人工檢查相結(jié)合的方法。

（4）根據(jù)不同類型橋梁易損性分析結(jié)果，選擇橋梁易損、重點部位及日常養(yǎng)護(hù)無法檢查或檢查非常困難的部位進(jìn)行實時監(jiān)測。

（5）監(jiān)測系統(tǒng)能順應(yīng)橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展方向，具有可擴(kuò)展性。

1.3? 系統(tǒng)級別分類

按照系統(tǒng)規(guī)模、功能的不同大致可分將系統(tǒng)分為三種級別，即全效型、實用型、經(jīng)濟(jì)型。（1）全效型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)：一般應(yīng)用于重要性程度高、結(jié)構(gòu)新穎復(fù)雜、橋址環(huán)境惡劣的超大跨度橋梁中，其功能不僅是進(jìn)行橋梁安全監(jiān)測與評估，更兼有設(shè)計驗證和科學(xué)研究的功能，因此無論從監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、儀器選型、自動化程度，都具備較好的先進(jìn)性和可靠性。（2）經(jīng)濟(jì)型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)：一般應(yīng)用于重要性程度一般、結(jié)構(gòu)較為簡單、跨度不大的中小橋梁，其系統(tǒng)功能主要是進(jìn)行橋梁安全監(jiān)測，甚至橋梁綜合評估的功能也可簡單化，因此系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容最少、自動化程度相對較低，組成架構(gòu)也最簡單。（3）實用型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)：介于全效型和經(jīng)濟(jì)型之間，其功能主要以進(jìn)行橋梁安全監(jiān)測與評估為主，監(jiān)測內(nèi)容相對全效型較少，監(jiān)測方法和儀器以實用可靠為主。實用型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可獨立成為一個完整的系統(tǒng)，也可由幾個系統(tǒng)共同組成區(qū)域集群健康監(jiān)測平臺。

基于功能與成本費(fèi)用最優(yōu)的原則，應(yīng)在不同類型的橋梁上安裝與其現(xiàn)狀相匹配的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。在確定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的等級時，應(yīng)主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點、跨度、技術(shù)狀況這三個因素。

2? 利用優(yōu)化算法修正模型

利用優(yōu)化算法進(jìn)行模型修正的機(jī)理是：在特定已知的結(jié)構(gòu)輸入?yún)?shù)的前提下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)（輸出）存在確定的映射關(guān)系。換言之，在特定輸入下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息是隨結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)的變化而變化的?；趦?yōu)化算法的模型修正實質(zhì)是利用優(yōu)化算法對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化求解，得到的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)化的解，具體步驟如圖1。

3? 傳感器選型

按橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容，應(yīng)選用相應(yīng)類型的傳感器，選擇的傳感器類型符合表1規(guī)定。

4? 溫州大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化

4.1? 橋梁概況

溫州大橋主橋為（135+270+135）m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，于1998年建成通車。設(shè)計荷載：汽超20，掛120。斜拉橋采用扇形索面、漂浮體系;主梁斷面為邊箱梁，梁高2.5m，全寬30m。索塔為鋼筋混凝土花瓶形塔柱，全高99.8m，塔柱每側(cè)索面有15對斜拉索，梁上索距8m，塔上索距1.8m。主墩基礎(chǔ)為直徑Φ250鉆孔樁。

4.2? 按優(yōu)化次序建立系統(tǒng)

根據(jù)溫州大橋運(yùn)營狀況，按實用型類型建立一個功能相對齊全并能真正長期用于結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評估，滿足橋梁養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營的需要，同時又具經(jīng)濟(jì)實用性的健康監(jiān)測系統(tǒng)，遵循如下設(shè)計原則：（1）遵循總體設(shè)計，分步實施的指導(dǎo)思想;（2）系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理需要及結(jié)構(gòu)易損性分析的結(jié)果，以簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行監(jiān)測點的布設(shè);（3）監(jiān)測與結(jié)構(gòu)安全性密切相關(guān)內(nèi)容，主要監(jiān)測一些有代表性的結(jié)構(gòu)、必須進(jìn)行監(jiān)測的重要結(jié)構(gòu)以及日常養(yǎng)護(hù)無法檢查或檢查非常困難的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。（4）從動力、靜力、耐久性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，以結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測為主，以索力、應(yīng)力、模態(tài)分析為輔助，力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量完成工作;5、系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性。

監(jiān)測范圍的選取應(yīng)遵循傳感器實時監(jiān)測和人工定期監(jiān)（檢）測相結(jié)合的原則，監(jiān)測內(nèi)容能覆蓋結(jié)構(gòu)評估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到本橋建設(shè)過程中的特點并結(jié)合大橋近期實際運(yùn)營狀況對本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)置

4.3? 監(jiān)測范圍及內(nèi)容

4.3.1? 實時監(jiān)測范圍

4.3.2? 定期監(jiān)測范圍

4.3.3? 測點位置布設(shè)

全橋傳感器布置圖如圖2所示。

4.3.4? 系統(tǒng)功能及硬件總框架

依據(jù)總體設(shè)計思路及傳感器選型后形成總框架如下：

4.4? 優(yōu)化后系統(tǒng)建設(shè)成果

優(yōu)化后的溫州大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，具備重要部件數(shù)據(jù)實時傳輸及處理、分層次評估、安全分級預(yù)警、應(yīng)急指揮等功能;是綜合性管養(yǎng)平臺，選取部分成果如下：

5? 結(jié)束語

本文對橋梁健康監(jiān)測的優(yōu)化建議是結(jié)合結(jié)構(gòu)理論分析，并對國內(nèi)外已建設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁進(jìn)行總結(jié)歸納，可為其他橋梁監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供參考依據(jù)。同時以溫州大橋為依托，建立溫州大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控及預(yù)警、數(shù)據(jù)評估、應(yīng)急指揮等功能。

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