智能監(jiān)測系統(tǒng)在某斜拉橋健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究

譚雪芹

摘要：橋梁健康監(jiān)測的智能化、實時化對于橋梁尤其是大型橋梁的健康安全評價起到了較大的促進作用?；谛崩瓨?甘竹溪特大橋的健康狀況及評價要求，文章對于監(jiān)測內(nèi)容進行了詳細分析，然后對于實現(xiàn)監(jiān)測內(nèi)容的集成方案進行了詳細分析，最后針對系統(tǒng)集成方案從中心數(shù)據(jù)庫、不同子系統(tǒng)和軟件集成方面進行了詳細的介紹，本文研究對于未來斜拉橋的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和運營提供一定的理論和工程應(yīng)用，對于智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的推廣起到了一定的促進作用。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；健康監(jiān)測；智能監(jiān)測系統(tǒng)；應(yīng)用研究

鑒于橋梁在全壽命運行周期范圍內(nèi)，受到環(huán)境、交通荷載、溫度荷載和其他各種荷載的作用影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)材料性能發(fā)生部分退化，造成疲勞效應(yīng)積累，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞的嚴重事故，從而造成結(jié)構(gòu)抗力降低，對于結(jié)構(gòu)的正常安全服役造成較大影響，甚至影響結(jié)構(gòu)安全。針對橋梁服役狀況的健康監(jiān)測，即在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布置傳感器，實現(xiàn)橋梁主要構(gòu)件的自動化監(jiān)測，實施獲得橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載和相應(yīng)響應(yīng)信息，結(jié)合環(huán)境因子、荷載和結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)，通過綜合分析即可了解結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，對于橋梁服役狀態(tài)進行評價和對于危險狀態(tài)進行預(yù)警分析，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實時在線分析，對于工程未來的養(yǎng)護、維修和管理提供一定的指導(dǎo)狀態(tài)。查閱當(dāng)前文獻，對于對于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價多采取撓度、應(yīng)力檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)相對單一，無法實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面了解，因此本文分析了甘竹溪特大橋的工程概況和技術(shù)狀況，并針對當(dāng)前檢測情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測的必要性分析，然后對于項目工程的監(jiān)測內(nèi)容進行了針對性分析，并對于智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成方案進行了詳細分析，最后從系統(tǒng)集成方案的實現(xiàn)從中心數(shù)據(jù)庫、子數(shù)據(jù)庫和軟件集成技術(shù)方面進行了詳細描述，本文研究對于運營期的橋梁的養(yǎng)護和結(jié)構(gòu)安全評價提供必要的技術(shù)支持。

1.工程概況及技術(shù)狀況分析

1.1工程概況

甘竹溪特大橋為跨越甘竹溪的一座特大型斜拉橋，其跨徑布置為（50 +115 +210）m公路-I級，橋面六車道布置，總寬38.7m。通航等級為內(nèi)河Ⅳ級航道，橋梁一跨過河，主墩落在河灘上，水中不存在墩結(jié)構(gòu)，橋下通航凈寬150.0 m，凈高8.0 m。

1.2結(jié)構(gòu)技術(shù)概況

查閱設(shè)計資料，項目工程結(jié)構(gòu)主要技術(shù)狀況如下所述：

1.2.1主梁構(gòu)造。主梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力砼箱梁，混凝土標(biāo)號為C55，箱梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，中心線處梁高2.8m，高跨比為1：80，高寬比1：13.82，寬跨比1：5.43。

1.2.2塔構(gòu)造。橋梁主塔為豎向雙柱結(jié)構(gòu)，且其端截面為矩形；斜拉索固定在塔壁中心，塔頂錨固區(qū)由環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成；主塔總高度為116.542 m，高跨比為1：2.07。

1.2.3斜拉索構(gòu)造。本產(chǎn)品為PE（FD）7-139-PES（FD）7-265規(guī)格雙HDPE電纜，保護低應(yīng)力半平行熱浸鍍鋅電纜。這座橋上有66對纜索。標(biāo)準(zhǔn)的縱向梁電纜間距是6m，錨孔部分的跨度是減少到3m，塔上的標(biāo)準(zhǔn)垂直電纜間距是2m，斜拉橋平面平行，兩架電纜之間的橫向間距是36.3m。

2. 針對性監(jiān)測內(nèi)容分析

根據(jù)甘竹溪特大橋安全監(jiān)測系統(tǒng)功能定位，結(jié)合甘竹溪特大橋的橋梁概況和技術(shù)現(xiàn)狀，對于橋梁的健康安全監(jiān)測內(nèi)容如下：

2.1防船撞預(yù)警

甘竹溪特大橋單跨跨越甘竹溪河道，水中無墩柱結(jié)構(gòu)，不存在橋墩防撞需求，通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河IV級，橋下通航凈寬150.0m，凈高8.0m，滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.2主梁撓度及基礎(chǔ)不均勻沉降

主梁撓度及基礎(chǔ)沉降能夠直觀的反映大橋的工作狀態(tài)及適用性，較大的變形一定程度上影響行車的安全性，橋梁結(jié)構(gòu)異常變形可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受力不利，且通過監(jiān)測變形可以了解橋梁是否處于帶損傷工作狀態(tài)，是評估橋梁健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。

2.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力

除了結(jié)構(gòu)體系引起高應(yīng)力區(qū)域外，本橋梁構(gòu)造特點在相應(yīng)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時長期交通荷載和環(huán)境動荷載的作用下結(jié)構(gòu)的疲勞問題尤顯突出，應(yīng)對直接承受動荷載作用和關(guān)鍵受力構(gòu)件的疲勞性能予以重點關(guān)注。

2.4環(huán)境溫度

溫度，尤其是截面溫度梯度，對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)有很大的影響。由于大型橋梁結(jié)構(gòu)各部分材料、尺寸和結(jié)構(gòu)形式的不同，環(huán)境溫度和日照的變化將導(dǎo)致整個橋梁的溫度分布復(fù)雜。

2.5結(jié)構(gòu)動態(tài)特性

當(dāng)結(jié)構(gòu)整體性能發(fā)生變化時，其動態(tài)特征參數(shù)（如頻率、振型等）也會隨之變化，可作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的“指紋”。對于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的技術(shù)分析，能夠?qū)τ跇蛄簞偠群瓦吔鐥l件有充分的了解。

2.6索力

作為斜拉橋的主要傳力構(gòu)件，斜拉索起到承上啟下的作用，對上承載主梁結(jié)構(gòu)、鋪裝等荷載作用和汽車等活載作用，然后傳遞給主塔結(jié)構(gòu)。

3.智能監(jiān)測系統(tǒng)集成方案分析

3.1智能健康監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

根據(jù)實際橋梁情況和監(jiān)測要求分析，智能健康監(jiān)測系統(tǒng)包括智能傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理與傳輸子系統(tǒng)、損傷識別與模型修正子系統(tǒng)、安全評估子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。對于智能健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的核心，且其儲存的橋梁施工信息、幾何信息、監(jiān)測信息和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的核心，能夠有限實現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。

3.2健康監(jiān)測系統(tǒng)集成方案分析

鑒于智能監(jiān)測系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)和實現(xiàn)子系統(tǒng)功能的軟硬件組成，因此實現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的物理、邏輯和相關(guān)功能，實現(xiàn)信息資源的貢獻、維護及管理的自動化，是系統(tǒng)集成實現(xiàn)的目的；關(guān)于系統(tǒng)集成，其目標(biāo)如下：（1）實現(xiàn)對于不同子系統(tǒng)的控制和管理，同時實現(xiàn)對于子系統(tǒng)的界面管理，方便用戶操作；（2）開放式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠有效實現(xiàn)信息資源共享。系統(tǒng)集成方案為子系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)開放平臺，供不同子系統(tǒng)自由選擇平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)，充分實現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計功能。

4.系統(tǒng)集成方案的軟件實現(xiàn)

4.1中心數(shù)據(jù)庫方案

鑒于中心數(shù)據(jù)庫的建立主要是為了橋梁結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息的存儲，作為橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，需要滿足以下功能：

有組織、動態(tài)存儲橋梁結(jié)構(gòu)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，供多用戶訪問；同時實現(xiàn)不同狀態(tài)和不同部位數(shù)據(jù)共享、交叉訪問，實現(xiàn)應(yīng)用程序之間的相對獨立和聯(lián)合，同時對于網(wǎng)絡(luò)上層與管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的連接作用得到充分發(fā)揮。

實現(xiàn)動態(tài)實時數(shù)據(jù)的快速存儲，這是因為對于中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)狀態(tài)，均隨著監(jiān)測對象動態(tài)變化而發(fā)生變化。

作為一個平臺，中心數(shù)據(jù)庫需要實現(xiàn)不同功能模塊數(shù)據(jù)傳輸、交換和共享。

4.2各子系統(tǒng)及其軟件方案

4.2.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及其軟件。鑒于健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測需求，因此在采集數(shù)存在異常時，系統(tǒng)需要實現(xiàn)調(diào)用和觸動相關(guān)模塊工作的作用，因此數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要能夠觸發(fā)其他軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和實時分析。

當(dāng)前，存在多種平臺供數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)用。對于數(shù)據(jù)采集軟件編程，從最初C語言、Visual Basic 和Visual C++語言，逐步發(fā)展到當(dāng)前的可視化編程語言，成為當(dāng)前領(lǐng)先的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和分析平臺。本項目子系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選擇LabWindows/LabVIEW。

4.2.2損傷識別、模型修正與結(jié)構(gòu)安全評定子系統(tǒng)。建立智能監(jiān)測系統(tǒng)的目的是為了實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的健康運營的實時評價和預(yù)警，對于未來橋梁結(jié)構(gòu)的運營和維護提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)針對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，如橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載和相應(yīng)的響應(yīng)信息進行分析。

利用MATLAB開發(fā)損傷識別軟件，鑒于損傷數(shù)據(jù)的針對性，因此應(yīng)提前建立橋梁損傷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，將損傷識別結(jié)果提前儲存于中心數(shù)據(jù)庫。

針對結(jié)構(gòu)的模型修正，可以分為基于全局采集信息的數(shù)據(jù)更新和基于局部數(shù)據(jù)的模型更新，通過進行數(shù)據(jù)庫分析，可以得到結(jié)構(gòu)的動力相應(yīng)以及局部的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。通過整體和局部的有限元修正，可以將計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的誤差降到最低，上述功能可以通過MIDAS、ANSYS和MATLAB等相關(guān)軟件實現(xiàn)。

4.3軟件集成技術(shù)

針對智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件集成，需要實現(xiàn)以下兩個方面：一方面是系統(tǒng)間接口、調(diào)用和相關(guān)觸發(fā)機制，另一方面則是軟件與數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)相關(guān)的接口和通信功能。根據(jù)實際情況，設(shè)置一定的閾值可以實現(xiàn)MATLAB對于相關(guān)子程序的調(diào)用。當(dāng)采集器采集到的信號值與閾值進行對比分析時，誤差超過相關(guān)閾值時，則應(yīng)調(diào)用MATLAB進行損傷的相關(guān)分析。

當(dāng)識別結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷時，則調(diào)用有限元分析軟件如ANSYS或MIDAS進行結(jié)構(gòu)的承載能力分析，通過批處理方法執(zhí)行相應(yīng)的命令流，從而實現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)的模型修正分析。

關(guān)于不同子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的通訊，可以通過調(diào)用MATLAB的數(shù)據(jù)工具箱實現(xiàn)。針對智能監(jiān)測系統(tǒng)中的模態(tài)和損傷識別程序，可以從數(shù)據(jù)庫中讀取原始數(shù)據(jù)，通過與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，從而實現(xiàn)對于橋梁健康狀況的實時評價，相關(guān)通信流程如圖2所示。

5.結(jié)束語

在建立橋梁結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測、診斷、評估和維護管理的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文針對甘竹溪特大橋的技術(shù)狀況，分析了智能監(jiān)測系統(tǒng)的特點、工作機理和軟件實現(xiàn)流程，實現(xiàn)了對于斜拉橋健康狀況的實時在線監(jiān)測。鑒于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方面較為廣泛，如結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)分析、傳感器監(jiān)測書、計算機通信和數(shù)據(jù)管理問題，目前雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一定的功能，但對于傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別、結(jié)構(gòu)損傷和安全評估方面還有待進一步的研究，希望隨著未來科學(xué)技術(shù)的進步，相關(guān)技術(shù)難題會進一步得到解決，對于橋梁的健康服役狀況進行較為恰當(dāng)?shù)脑u價。

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