遼河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常成因分析

劉志群

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽市 110005)

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已在我國公路長大橋梁上推廣應(yīng)用,為深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作用,橋梁運(yùn)營單位相繼開展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究。研究中發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在諸多“異常數(shù)據(jù)”,該類“異常數(shù)據(jù)”是指與產(chǎn)生原因相關(guān)性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生突然變化、對(duì)比前階段數(shù)據(jù)曲線頻率和波動(dòng)幅度有較大差別或曲線波動(dòng)周期發(fā)生較大差異的數(shù)據(jù)[1-2]。對(duì)該類數(shù)據(jù)的分析需要高度重視、分析過濾、檢查核實(shí)、區(qū)別對(duì)待:部分?jǐn)?shù)據(jù)是正常的系統(tǒng)反應(yīng),無需采取措施,比如主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線與溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線的“延遲”“平移”現(xiàn)象[3];部分?jǐn)?shù)據(jù)是被監(jiān)測(cè)設(shè)施性能衰減導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線“變形”,需要采取一些養(yǎng)護(hù)措施,比如伸縮縫位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因設(shè)施配件老化形成無規(guī)律曲線;部分?jǐn)?shù)據(jù)是被監(jiān)測(cè)設(shè)施故障,需要采取應(yīng)急措施,比如索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)因阻尼器失效出現(xiàn)“新波動(dòng)周期”[4];部分?jǐn)?shù)據(jù)是軟件漏洞、硬件功能缺陷導(dǎo)致“誤報(bào)警”[5],需更換監(jiān)測(cè)設(shè)備或升級(jí)軟件數(shù)據(jù)過濾功能,比如遼河大橋陸地主塔豎向加速度出現(xiàn)異常報(bào)警,而水中主塔相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。

1 系統(tǒng)介紹

遼河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)以運(yùn)營安全為核心、以實(shí)用可靠為宗旨、以服務(wù)養(yǎng)護(hù)為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)狀態(tài)合理評(píng)價(jià)、養(yǎng)護(hù)對(duì)癥指導(dǎo)、影響快速研判、風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中摒棄大而全的思路,在確保先進(jìn)性的前提下以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn),充分考慮大橋自身的環(huán)境特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)營特點(diǎn)、運(yùn)營危險(xiǎn)性以及養(yǎng)護(hù)管理需求,合理設(shè)計(jì)總體架構(gòu)與監(jiān)測(cè)內(nèi)容,大橋養(yǎng)護(hù)決策與安全報(bào)警信息的制定與發(fā)布也全面考慮大橋自身特點(diǎn)的需求,將服務(wù)養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營安全作為終極目標(biāo)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括四個(gè)結(jié)構(gòu)功能層:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、評(píng)估決策層、應(yīng)用服務(wù)層。其中,數(shù)據(jù)采集層為底層結(jié)構(gòu),包括傳感器子系統(tǒng)、采集傳輸子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理層和評(píng)估決策層為中間層,前者包括數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng),后者包括安全報(bào)警子系統(tǒng)、輔助決策子系統(tǒng)和報(bào)告報(bào)表管理子系統(tǒng);應(yīng)用服務(wù)層為頂層結(jié)構(gòu),包括用戶界面子系統(tǒng)。

系統(tǒng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、橋梁工作環(huán)境、大橋養(yǎng)護(hù)管理需求以及橋梁危險(xiǎn)源等多方面因素,結(jié)合當(dāng)前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀和橋梁技術(shù)狀況,根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等相關(guān)要求,設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng):橋址區(qū)環(huán)境溫濕度、主梁內(nèi)溫濕度、索塔錨固區(qū)溫濕度;作用監(jiān)測(cè)項(xiàng):車輛荷載、風(fēng)況(橋面風(fēng)速風(fēng)向、塔頂風(fēng)速風(fēng)向)、結(jié)構(gòu)溫度、地震動(dòng);響應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng):位移(主梁撓度及線形、支座位移、梁端縱向位移、塔梁空間變形)、應(yīng)變(主梁關(guān)鍵截面應(yīng)變、索塔關(guān)鍵截面應(yīng)變)、斜拉索索力、振動(dòng)(主梁豎向振動(dòng)、主梁橫向振動(dòng)、塔頂水平雙向振動(dòng)、斜拉索振動(dòng))、轉(zhuǎn)角(梁端水平轉(zhuǎn)角、梁端豎向轉(zhuǎn)角)。

在優(yōu)化系統(tǒng)總體架構(gòu)與監(jiān)測(cè)內(nèi)容的同時(shí),充分考慮橋址區(qū)域環(huán)境特點(diǎn),基于低溫環(huán)境是我國北方橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍面臨的現(xiàn)實(shí)問題,并且低溫作用會(huì)造成對(duì)傳感器、采集設(shè)備、傳輸設(shè)備等性能和耐久性影響,降低數(shù)據(jù)的有效性和系統(tǒng)的使用壽命,在系統(tǒng)建設(shè)中優(yōu)化完善低溫環(huán)境下的設(shè)備選型策略和設(shè)備性能保持策略,形成低溫環(huán)境下健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體的性能保持技術(shù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常成因

2.1 溫濕度計(jì)數(shù)據(jù)異常

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求,斜拉橋箱梁和主塔內(nèi)部都會(huì)設(shè)置溫濕度傳感器。箱梁內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)異常是高概率事件。天氣變化是首要因素,天氣狀況突變會(huì)引起此項(xiàng)數(shù)據(jù)加速變化。反應(yīng)延遲普遍存在,夏季突然降雨不會(huì)讓數(shù)據(jù)立即產(chǎn)生變化,水汽蒸發(fā)、空氣導(dǎo)入、設(shè)備感應(yīng)需要有一個(gè)時(shí)間過程,延遲的時(shí)間因氣溫變化速度與幅度、空氣流通及熱傳導(dǎo)等不同。供電也是引起溫濕度異常的因素之一,斷電導(dǎo)致除濕機(jī)不工作(除濕機(jī)與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源不一致),空間溫濕度會(huì)有明顯變化。除濕機(jī)故障會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),箱梁內(nèi)除濕機(jī)有多臺(tái),當(dāng)某一臺(tái)出現(xiàn)故障停止工作或工作效率降低,會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的溫濕度變化。水密門封閉不好也會(huì)導(dǎo)致上述問題,養(yǎng)護(hù)作業(yè)人員進(jìn)出箱梁,水密門關(guān)閉不好或未關(guān)閉,同時(shí),大氣溫濕度與箱梁內(nèi)溫濕度有明顯差異,導(dǎo)致受影響區(qū)域的溫濕度計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)。箱梁內(nèi)有多個(gè)穿線孔,因穿線孔出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象(遼河大橋鋼箱梁與穿線管材質(zhì)不同,受溫差影響,一定時(shí)間后結(jié)合部會(huì)出現(xiàn)焊縫開裂,降水通過裂縫滲入),也會(huì)導(dǎo)致附近區(qū)域的濕度變化。遼河大橋主跨跨中主梁內(nèi)濕度環(huán)境較為穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,周期性明顯,主梁外濕度受日照、雨水等作用,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈,主梁內(nèi)外濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 主梁內(nèi)外濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 斜拉索索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常

針對(duì)在役斜拉橋,其拉索索力通?；陬l率法原理傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),拉索異常振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯變化,異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有三種:一是阻尼器失效,粘滯阻尼器漏油、拉桿阻尼器拉桿松動(dòng)或斷損、阻尼器與拉索結(jié)合處握裹不良、阻尼器沖程不足“卡死”等都會(huì)導(dǎo)致阻尼器失效或降效,進(jìn)而表現(xiàn)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突變;二是外部激勵(lì)作用,如脈動(dòng)風(fēng)譜所引起的隨機(jī)振動(dòng)和車輛事故或物品碰撞等機(jī)械剮蹭,該類異常振動(dòng)需要現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)、采取對(duì)應(yīng)措施;三是超重車輛通過。超重車輛偷跑經(jīng)過時(shí),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示豎向加速度振幅明顯變大,再比對(duì)同側(cè)拉索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有共性變化。如圖2所示,遼河大橋邊跨上游最長索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)存在較大突變與波動(dòng),該類數(shù)據(jù)異常主要由風(fēng)荷載等外部激勵(lì)作用造成。

圖2 索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常

2.3 支座位移計(jì)數(shù)據(jù)異常

支座位移計(jì)主要有兩個(gè)作用:一是長期對(duì)支座的行程進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、判斷支座是否接近自然壽命。支座摩阻力的變化會(huì)反映到支座行程上,通過位移計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)支座行程的異常,進(jìn)而檢查評(píng)估支座的壽命。例如滑板損壞,摩擦系數(shù)變大,磨阻力激增,支座行程會(huì)明顯變小;二是通過支座位移計(jì)數(shù)據(jù)的變化,可以判斷橋面是否存在交通擁堵或支座是否變形等情況。支座位移受溫度變化和活載沖擊產(chǎn)生變化,當(dāng)支座發(fā)生“卡死”現(xiàn)象的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常?！翱ㄋ馈钡脑蛞话阌薪煌〒矶聦?dǎo)致磨阻力加大和支座偏心兩種。如圖3所示,為支座位移數(shù)據(jù)存在短暫水平線型,可見隨溫度等荷載作用,墩梁相對(duì)位移所產(chǎn)生的支座變形存在短暫的摩阻力累積現(xiàn)象。

圖3 支座位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

養(yǎng)護(hù)檢查發(fā)現(xiàn)支座有異響(某橋曾發(fā)生過此類事件),大概率是摩擦產(chǎn)生的。支座安裝錯(cuò)位、大風(fēng)扭力導(dǎo)致支座輕微受損變形等會(huì)導(dǎo)致支座偏心,支座防塵效果不好、有異物夾入、潤滑劑缺失或性能衰變導(dǎo)致摩擦系數(shù)加大,都會(huì)導(dǎo)致支座滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生異響。上述現(xiàn)象發(fā)生后,需采取適當(dāng)養(yǎng)護(hù)措施予以處置。

2.4 伸縮縫位移監(jiān)測(cè)

伸縮縫受重車通過時(shí)候產(chǎn)生的沖擊荷載,以及受溫度影響會(huì)產(chǎn)生行程變化。伸縮縫的壽命可以通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、分析判斷。首先通過相關(guān)性分析,橋梁兩端伸縮縫位移變化應(yīng)該是正相關(guān)的,如果出現(xiàn)異常,就要分析是哪一端出現(xiàn)問題,通過與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比,找到出現(xiàn)問題的那道伸縮縫。對(duì)異常的伸縮縫進(jìn)行表觀檢查,檢查組件外形變化、牢固程度、老化、近期變形發(fā)展?fàn)顩r等,分析它的性能變化趨勢(shì),可初步判斷他的使用壽命,針對(duì)性地采取維修或者構(gòu)配件更換,恢復(fù)其正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.5 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常最直接的因素就是交通量的變化。新冠疫情期間,遼河大橋上通行車輛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化明顯。如日常監(jiān)測(cè)到這樣的變化,需要立即對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近監(jiān)控圖像進(jìn)行巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致交通量變化的原因(交通事故、火災(zāi)或者其它特情),立即采取措施,預(yù)防或減小損失。

3 結(jié)論

(1)異常數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)參數(shù)特點(diǎn)與外部作用共同進(jìn)行分析,確定數(shù)據(jù)異常成因。

(2)對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的“異常數(shù)據(jù)”和“誤報(bào)警”現(xiàn)象,在系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件功能方面應(yīng)加強(qiáng)分析研究,加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)主動(dòng)識(shí)別、智能分析、自動(dòng)過濾,以減輕現(xiàn)場(chǎng)核查、排查的工作量,進(jìn)而大幅提升養(yǎng)護(hù)工作效能。