桥梁结构监测系统（通用7篇）
桥梁结构监测系统 篇1
尽管(截止到2006年)我们国家现有桥梁已经达到了50万余座,但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是“被动式”的,也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护(检测和加固)。这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生,如近几年的重庆彩虹桥、宜宾小南门桥、苏州堰月桥以及辽宁盘锦的田庄台桥等塌桥事故。随着桥梁管理理念的发展和桥梁检测、健康监测以及评估方法的进步,使得变“被动式”的桥梁管理为“主动式”桥梁安全管理成为可能。
“主动式”的桥梁管理核心是建立桥梁维护管理制度,定期对桥梁进行检测(对重大桥梁安装桥梁结构健康监测系统,对其进行“实时检测”),及时了解桥梁的安全状况,并采取相应的修理措施,避免安全事故的发生。
1 桥梁结构健康监测系统基本框架
一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个子系统:传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。
1.1 传感器系统
一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类:一类是监测桥梁荷载(系统输入)的传感器,一类是监测桥梁结构反应(系统输出)的传感器。
监测桥梁荷载的传感器包括以下几种:温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等;监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种:应变计、加速度计、GPS、倾角仪、位移计、锚索计等。
根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束,不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择,重点是传感器布点优化设计。
1.2 数据采集与传输系统
数据采集设备一般包括五种:1)通用采集仪器,主要采集电类传感器信号,一般可针对具体的项目进行特殊设计。2)光纤光栅解调仪,光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类,对于桥梁监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用,采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。3)振弦采集仪,对于振弦原理设计的传感器必须用振弦采集设备,如锚索计等。4)GPS接收机,GPS数据采集由专门的系统设备完成,GPS天线通过同轴电缆连接至相应的GPS接收机。5)动态称重主机,WIM系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。
数据传输包括三个层次:1)从传感器到采集设备的局部传输网络;2)从采集设备到桥头交换机二级传输网络;3)从桥头交换机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定,以及数据传输方案的设计。
1.3 数据处理与控制系统
在结构健康监测系统中,对系统监测数据的处理根据处理方式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。
数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采集仪上完成,包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS接收机、WIM称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心,监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。
经预处理后的数据实时的传输至监控中心,在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理,由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式,因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。
1.4 桥梁结构健康评估系统
桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括两个层次:一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害,并确定病害大致位置,辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全,是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴;第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估,为桥梁维护提供决策依据。
2 桥梁结构健康监测系统国内外应用现状
20世纪60年代以来,由于发达国家桥梁严重退化,安全事故不断发生和事故后果的严重性,工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究,美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统,美国从20世纪60年代起就开始使用桥梁管理系统,建成了大量的数据库,以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究,到90年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统,如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt和中国的江阴桥等。
中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS(Wind And Structural Health Monitoring System),为便于集中管理,相关部门建立了一个整体监控中心,三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统,三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心统一进行,其各自的采集数据也在监控中心进行统一的数据处理和结构分析。昂船洲桥梁结构健康监测系统(SCB-WASHMS)也设计了专用的数据传输线路,将实时监测数据传送到青马控制区上述三个监测系统的监控中心。
近年来,我国的一些大型桥梁也设计安装了结构健康监测系统,如广东虎门大桥、重庆大佛寺桥、海口世纪大桥、南京三桥、江阴大桥和润扬长江大桥,以及苏通长江大桥结构健康监测系统等。与国外相比,我国的这些桥梁结构健康监测系统在工程规模、实施水平和系统功能的完善上存在着不小的差距,具体表现在以下四个方面:
1)这些所安装的监测系统不是按结构损伤识别的功能要求来设计的,对其关键内容,如传感器的布置、阻尼及非经典阻尼的测量、模态精度与损伤识别能力间的关系、采样率、结构的剩余承载力评定等基本上没有考虑,因而基本上没有进行结构损伤识别的能力。这些监测系统所采集的数据主要是各种荷载参数,虽然也量测了少量结构动静态应力和变形,但不符合损伤识别的要求。
2)到目前为止,虽然已经建成了一些监测系统,但尚未见到国内公开发表的实际桥梁安全监测系统的监测数据和对数据的分析结果,更未见到这些分析结果对结构设计的改进作用。
3)桥梁监测系统要求所有的传感器在数据采集上具有严格的时间同步,这样监测的数据才有分析比较的价值,而目前国内很多系统还没达到这种最基本的要求。
4)大多数桥梁监测系统设计都是根据桥梁竣工验收试验的内容设计的,基本没有原始的动力指纹测试内容。而没有原始的动力指纹测试就谈不上真正意义上的结构健康监测。
另一方面国内一些有实力的单位在桥梁健康监测方面也开展了基础性的科研工作,取得一系列重要成果如:1)国家攀登B项目“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”。2)国家重点基础研究发展规划(973)项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”中子课题“考虑功能蜕化的重大工程结构在灾害作用下破坏过程模拟与控制方法”(项目编号:2002CB412709)。3)中国香港青马、汀九、汲水门大桥风与结构健康监测系统(WASHMS)研究。这些新的研究成果可以用来指导新建的桥梁结构健康监测系统的设计和数据分析工作。
3桥梁结构健康监测系统的意义
桥梁结构健康监测系统的主要作用包括:1)设计验证,确保桥梁安全;2)及时发现桥梁损伤;3)为桥梁维护管理提供技术依据;4)辅助桥梁日常交通管理。
摘要：对桥梁结构健康监测的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统及桥梁健康评估系统进行了论述,指出了目前国内外桥梁结构健康监测系统存在的差距,阐述了应用桥梁结构健康监测系统的意义,旨在保证桥梁运营安全。
关键词：桥梁,健康监测,系统
参考文献
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桥梁结构监测系统 篇2
桥梁结构健康监测系统主要包括:传感器子系统、数据采集子系统、数据处理和结构分析子系统、远程综合管理子系统。上述各部分共同构成一个有机的整体,每一部分不可或缺,其中数据采集子系统搭起了传感器子系统和数据处理分析子系统的桥梁,因此,数据采集子系统在整个监测系统中具有重大作用。与传统的桥梁检测方法相比,大跨度桥梁结构的健康监测系统传感器种类多、数量大、信号传输与存储的实时性要求高,这对数据采集系统的软硬件相应提出了很高的要求。
要实现大型桥梁的长期在线实时监测,大型桥梁结构健康监测系统的传感器子系统,必须能够较全面地获取桥梁结构的环境荷载、局部性态、整体性态等信息。桥梁结构所需要监测的内容主要有: (1)外部环境及荷载监测: 监测和记录能够对桥梁结构的受力状态、安全性、耐久性、完整性等产生影响的外部因素及其时间历程。主要包括风、温度、湿度和车辆等。(2)桥梁形状的几何监测: 监测桥梁整体结构以及各重要部位的静态位移、基础沉降、倾斜, 桥梁的整体线型变化等, 以保证桥梁结构在服役期内的适用性。(3)桥梁局部性态和整体性态变量监测: 监测桥梁构件以及整体结构在上述外部荷载作用下的响应。上述3个方面的监测内容基本上概括了桥梁服役过程中的安全性、耐久性、适用性评估等需要的外部荷载和结构响应。
1 传感器子系统对数据采集系统的影响
数据采集系统的设计与传感器的输出信号和监测变量的特征有关,主要体现在以下几个方面:
(1)传感器的输出信号特征直接决定了数据采集设备的选择。有的传感器可直接或间接输出模拟电压信号,其中部分模拟信号需要进行调理: ①低电压信号如集成式压电加速度传感器等的隔离、放大、滤波及去噪等; ②热电偶信号的隔离、放大、冷端补偿等; ③电阻式应变计信号的激励电压、全桥和半桥设置、隔离、放大、滤波及去噪等。有的传感器可输出数字信号,这类传感器通常内置A/D 转换模块, 其信号输出方式通常为遵循标准传输协议的数字信号, 如串口协议 RS-232、RS-485 等。有的的传感器输出光信号,如光纤光栅传感器, 该类型传感器由光纤光栅解调设备解调后,可输出不同类型的数字信号, 通过计算机标准接口, 如 RS-232 串口、网卡接口、并口等进入计算机。
(2)传感器输出信息量直接影响到数据采集系统传输方式的选择。一是系统中传感器总数,决定了和计算机直接相连的数据传输设备和传输方式的选择。二是单个传感器的采样频率, 其中产生连续模拟信号的传感器的采样频率取决于数据本身的动态特征和数据分析处理系统对数据的要求; 产生数字信号的传感器采样频率通常已设定好, 只需采集设备获取信号并传输即可。
(3)传感器的空间分布情况也决定了数据采集方案和传输方式的选择。大跨度桥梁结构的跨度通常从几百米到几千米, 为减少传输信号所受的干扰, 防止信号出现衰减失真等情况, 必须选择适当的数据采集方案和传输方式。
综上所述, 传感器的上述特征在对数据采集设备的分辨率、采样频率、精度、触发、同步采样、时钟频率、通道数等方面提出了要求。
2 数据采集系统的设计
设计数据采集系统,首先分析系统确定任务。对要监测的对象、要解决的问题进行调查分析, 确定系统的任务、技术指标等;其次系统总体设计。考虑系统硬件和软件的特点, 对部分既可用硬件也可用软件实现的功能(必须滤波、去噪等)进行分配;最后系统硬件和软件的设计。数据采集系统的硬件设计原则为:满足正常使用原则、较高性价比原则。数据采集系统的软件设计原则为:选择正确开发语言或平台、良好的运行稳定性、良好的操作性。
2.1 数据采集系统硬件设计
进行桥梁健康监测数据采集系统设计,有3种方式可供选择:(1)基于PLC的顺序逻辑控制系统;(2)基于DCS的大型控制系统; (3)基于PC的 DA&C 数据采集和控制系统。其中基于 PC的 DA&C系统硬件价格低、易使用、开放性强、通讯能力强、开发成本低廉,得到了广泛的应用。因此, 该形式的数据采集系统通常被用于桥梁结构的智能健康监测系统中。它有以下两种形式:一是基于板卡的集中式数据采集系统:其基本方式是采用数据采集卡进行数据采集,其优点是成本低,速度快, 缺点是可靠性一般, 同时布线费用较高。二是基于分布式的数据采集系统: 基本方式是采用基于现场总线如 RS-485(非严格)、CAN 总线、ProfiBUS、LonWorks总线等。优点是易维护、布线简单、可靠性高, 缺点是采样速度低、成本较高。
可见, 在上述两种系统中, 如果只采用一种方式或者不能满足采集需要或者可能造成系统资源不必要的浪费。因此, 在具体进行数据采集设备设计时应遵循与传感器信号特征相匹配的设计原则。对静态信号, 采用基于分布式的数据采集系统; 对于动态信号, 采用基于板卡的集中式数据采集系统。这样, 整个数据采集系统由两者相结合而成, 能够相互补充, 充分发挥各自优势。
2.1.1 动态信号数据采集硬件选择
对于加速度传感器测量的动态信号,应采用基于板卡的集中式数据采集系统来满足信号采集和传输的要求。数据采集卡是通过计算机内部的局部总线或系统总线来传输大量数据信息的。ISA、PCI 总线数据采集卡的传输率通常可以满足在非严格场合的要求。然而, 相对于严格的工业现场数据采集的需要, 基于PCI总线的数据采集卡仍然有很多缺点, 如机箱内部的噪声电平较高, 插槽数目不多, 机箱内无屏蔽等。而最新的PXI规范增加了专用定时和同步线、有关环境和 EMC的测试要求等。另外还存在 VME、VXI 等高性能总线技术, 由于其价格昂贵、规范严谨而全面, 常用于要求极其严格的工业场合, 因此在桥梁结构的数据采集系统中通常无必要采用。
综上所述, 在动态信号采集过程中,通常可以有基于ISA 、PCI总线和基于PXI总线两种数据采集系统可供选择, 具体可根据现场环境、系统功能要求、实施经费等因素来决定。
2.1.2 静态信号数据采集硬件选择
基于分布式的数据输入/输出数据采集系统不仅可以节省大量的电缆布线, 而且系统易维护并可提高整体可靠性; 该类系统中, 数据采集和传输设备通常依赖于现场总线设备, 常见的现场总线标准有较为通用的RS-485总线, 用于电力、冶金、机械等行业的ProfiBUS总线, 用于工业测控系统的CAN总线和LonWorks总线等。
RS-485总线, 其连接简单, 成本较低, 系统可靠性高。其抗干扰能力强、传送距离远。LonWorks现场总线, 它采用LonTalk 通讯协议, 每个节点都有信息处理和控制功能, 其支持如双绞线、光纤、红外光波、电力线、电话线等多种通讯介质, 最大传输距离为2 700m, 与 RS-485 总线相比, LonWorks 网络容易扩充和修改, 容错和检错能力可由软硬件同时完成。针对桥梁结构数据采集系统的特点, 上述两种现场总线标准均可供选用。
由于支持RS-485总线设备常见、价格较低、使用简单, 因此, 静态传感器信号的传输通常选用 RS-485总线网络即可; 在技术、经费等条件允许的情况下, 可选用LonWorks 或其他类型的现场总线和设备来采集和传输静态传感器信号。
值得注意的是:在选择具体设备时,还应考虑诸如模拟信号的输入范围、被采集信号的分辨率、模拟输入信号传输所需的通道数等因素, 若存在非标准信号, 还需要考虑采用前端信号调理设备。
采集后的数据传输通常可由传感器的信号线和现场总线等直接完成。但是在距离稍远不便于布线的一定范围内(如5～20 km), 无线网(WirelesNetwork)有着其他数据传输不可替代的作用, 在无线通信技术中, 基于跳频技术的计算机无线网具有抗干扰能力强、易于实现码分多址、安全保密、无须申请频率资源等特点, 近年来在计算机联网的各个领域都得到了广泛地应用。
2.2 数据采集系统软件
在基本硬件系统确定后,就需要进行数据采集软件的开发, 软件是数据采集系统的关键, 选择正确的软件系统可以最大限度发挥硬件的性能,有多种程序开发语言或软件开发平台可供选择。通常越低级的语言开发出的数据采集系统效率越高, 但开发技术复杂, 通用性较差。利用高级语言或软件开发平台进行数采软件开发通常较为简单易学, 程序通用性高、数据处理方式简单, 但程序效率较低, 常用于非严格场合。从低级到高级的开发工具主要有: 汇编语言、BASIC 语言、C语言、Visual C++开发平台、LabWindows/CVI 开发平台、LabVIEW开发平台。
Visual C++是数据采集系统常用的软件开发平台。LabWindows/CVI是一个完全的标准C开发环境,用于开发数据采集应用软件。而LabVIEW 是另外一种更易用的数据采集系统开发平台, 是世界上第一个采用图形化编程技术的面向设备的编译型程序开发系统。LabWindows/CVI和LabVIEW为专门的数据采集开发平台, 目前广泛用于中小型数据采集系统开发, 其完全可以满足桥梁结构的数据采集软件开发工作。此外, 当前产生于测控领域的虚拟仪器技术正是将高性能模块化硬件作为系统平台, 与灵活的软件技术结合在一起, 建立起强大的基于计算机的数据采集解决方案。这种技术克服了传统数据采集不够灵活等一些缺点。通常情况下, 数据采集系统的开发平台可选择LabVIEW; 在系统传感器数量较多、系统稍复杂的情况下可以采用 LabWindows/CVI 进行开发。
3 数据采集系统的的网络化
随着互联网技术的迅速发展, 桥梁健康监测系统与网络通讯技术相结合成为一种趋势。网络技术的发展,使得桥梁健康监测实现远程硬件管理、远程数据管理等功能成为可能。网络技术与桥梁健康监测的结合,可以将所有传感器数据的管理和使用工作、部分现场的非实时的数据分析工作和部分结构安全评价工作在远程的计算机终端进行。这种结构系统更加有利于提高数据对象信息应用的时效性, 科研人员和工程技术人员即使不在控制现场, 也可以通过网络随时了解现场的控制系统运行情况和系统参数的实时变化, 并可根据具体情况通过网络在客户计算机上对在控制现场运行于服务器计算机的控制系统发出命令, 及时调整现场控制系统运行状况, 从而达到远程控制的目的。这在桥梁结构健康监测工作中具有重要的现实意义。
远程监视和控制需要依赖于上述数采软件的网络编程支持。首先, 在Visual C++中进行网络通信编程有三种方式:直接使用 Winsock API、使用 WinSock 控件、使用Microsoft Foundation Class Library 中提供的 CSocket 和 CAsyncSocket 类中的成员函数。这3种方法完全可以满足实时的网络数据采集需要。其次 , LabWindows/CVI在网络通讯和数据交换方面提供了4个函数库: 动态数据交换库、TCP 库、Active X 自动化库和 DataSocket库。最后, LabVIEW提供了三种网络通讯方法:(1)TCP和UDP编程,这种方法编程较为复杂。(2)DataSocket 通讯,可以保证网上的实时高速数据交换。(3)Remote Panels技术,不适于大量数据的远程传输。
另外, 在网络访问模式方面, 有两种主要模式可供选择, 一是 Client/Server 模式, 这种模式客户机需要安装专门的软件, 面向特定的用户, 客户机维护升级不方便。另外一种是 Browse/Server 模式, 这种模式无需在每台计算机上安装专门的软件, 面向不特定的用户, 客户机无需维护和升级。
目前主流的数据采集开发平台均提供了强大的网络开发工具, 使得基于因特网或高速局域网的桥梁数据采集系统的远程监视和控制方案成为可能。通过网络可以保证远程实时访问现场服务器, 随时了解现场的监测系统运行情况和系统参数的实时变化。
4 结论
本文着重对数据采集子系统的设计和实现进行研究。首先分析桥梁结构健康监测系统中传感器子系统的构成、特性和对数据采集系统的要求; 提出了数据采集系统设计需考虑传感器子系统的特征、输出信号特点。然后,分析数据采集系统硬件设备和软件平台的选择原则,给出了适宜桥梁结构健康监测的数据采集硬件设备和软件环境。根据系统的复杂程度, 软件系统一般基于LabWindows/CVI或LabVIEW开发。
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桥梁结构监测系统 篇3
大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。大桥的结构设计普遍是基于导量位移,任何索塔和主梁轴线偏离于设计轴线,都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港营运的3座悬吊体系桥梁即青马大桥、汲水门桥和汀九大桥以及在建造中之昂船洲大桥,均设有桥梁结构健康监测系统,(简称桥监系统),用以监测大桥在营运期间的结构健康变化,进而进行结构评估从而确保桥梁的安全运行和降低维护成本。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内,可是初期的桥监系统还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统(Global Positioning System or GPS)的实时位移测量精度有显著的提升(垂直面差误约20 mm,水平面差误约10 mm),因此香港特别行政区政府路政署其后引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线,提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中,亦曾考虑其它测量技术方案,如运用红外光线和激光科技,可是这些技术均需要一定视野清晰度,故在现阶段仍不适合在恶劣天气下操作。
2 GPS监测范围和目的[1,2]
在上述3座悬吊体系桥梁上本已设置传统的感应器来测量桥身的位移状况,包括在桥身两端设置位移仪以测量桥身的纵向位移,设置高精度加速仪以测量桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量,计算时间长,并不能准确地运算桥身整体的摆动幅度,这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢,加速仪不能准确测量;另一方面,在监测桥身因温度变化而产生的相应位移时,虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移,但由于这系统是利用液压原理运作,鉴于液体的惯性限制,系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息,未能录取瞬间的振幅,错过了一些较大的瞬间振幅,因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上,经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试来验证及改进精度,最后决定在桥监系统中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统,直接量度桥梁的独立三维实时位移,增强对桥梁结构健康监测的可靠度。该GPS监测系统已投入运作多年,积累了较丰富的数据分析成果。该监测系统主要用作度量3座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移,推算其相应的导量(截面中线)位移及各相应主要构件的应力状况。
3 GPS监测系统简介[3]
3.1 GPS监测系统概要
GPS监测系统是一套实时监测系统,主要由4组系统组成,通过固定光纤网络传输数据而进行运作。这4个系统分别是:(1)GPS测量系统;(2)信息收集系统;(3)信息处理和分析系统;(4)系统运作和控制系统。其硬件包括:GPS测量仪(其中包括GPS天线和GPS接收器)、接驳站、信息收集总控制站、光纤网络、GPS计算机系统及显示屏幕等。
GPS接收器备有24个卫星跟踪通道,以双频(L1及L2)同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位;GPS监测系统以统一的高速度采样率,利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量,以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果,高精度点位输出的时间延迟小于0.05 s,使GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出、光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2 s内完成,提供实时位移监测。此外GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24 h作业,配合可调校的数据备份系统,将贮存的GPS位移数据与其它现存的桥梁监测数据加以整合,再做多样化的结构分析和评估;利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料,及选定时段的桥梁整体位移变化数据,来改进桥梁结构健康检测和评估工作。
3.2 GPS定点测量
GPS测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端,在3座桥上总共有27个定点测量位置(见图1)。而昂船洲大桥则安装有20个GPS(见图2),GPS测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共装有4对GPS测量仪,主悬索缆有1对(见图2及图3)。另外在汲水门大桥桥面及汀九大桥桥面上分别装有1对及2对GPS测量仪(见图4)。除了提供每秒10个的定点实时测量,GPS监测系统更能运算桥身主轴线的三维瞬间位移和桥身扭转振动的时程数据(见图5~图8)。同样,从塔顶的点位解算结果,GPS监测系统能运算出汀九大桥单脚塔顶的位移和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移(图9、图10)。经数据及图像处理后,信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。目前路政署采用的GPS接收器的定位延迟误差为0.03 s,解决了早期GPS定位数据与实际点位不能完全一致的难题,能应用于速度不均的运动状态,满足高速度实时位移监测的基本要求。
GPS接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装,并加上振动隔离装置,进一步减除振动操作环境对GPS设备的影响,加强其抗震性能。在桥上的GPS定点测量位置均采用精密微带天线,为减低对人造卫星信号接收的障碍,所有天线的安装高度须维持水平15°以上的无屏障朝天范围同时也避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍。位于贮物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线,进一步减少多路径效应对定位测量的影响,确保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上GPS测量仪在出厂后勿须定期校对,从而节省养护工作。
3.3 GPS信息传输系统
GPS监测系统是一组不停运作的实时监测系统,当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作环境时,GPS监测系统所得的数据更为宝贵,故其对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络。由于光纤不受电磁波干扰,在恶劣作业环境下,如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等,光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质量和速度。先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号,让维修人员及时知道通讯网络出现问题的位置,确保系统工作效率。信息收集总控制站设于青衣行政大楼,在每座桥上均设有一组网络接驳站,用以收集各处GPS定位测量站的数据传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤,最长距离约3 km;而联接定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤,最长距离约1.3 km。每组GPS测量仪需要3条非同步串列传输管道(Asynchronous Serial Channel)操作,这3条管道分别用作资料收集、差分改正信息传送及遥距监控,而每条管道传输速度达19 200 Baud。光纤传输速度能力高,一条多模光纤巳能取代多条传统的铜芯资料传输电线。GPS信号从多模光纤传送至网络接驳站后,即被汇集成更高频信号,由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站,使原本需要过百条铜芯资料传输电线的传统通讯网络,简化为每座桥只需1条单模光纤的光纤通讯网络,大大改进网络的操作效率和养护维修工作。
3.4 GPS信息处理的运作
从27个GPS定点测量仪输出的GPS大地坐标经纬数据,分别以每秒10个的采样率,透过光纤网络信息收集系统,同步传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于青衣行政大楼的桥梁监察室内,由2台电脑工作站组成(见图11)。第1台为运作工作站(GPS-OWS),用作信息和图像处理,以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态及运算桥身扭转振动的幅度(见图5和图7),同时以时程数据形式显示各定点的度量位移(见图6及图8)。GPS-OWS亦负责系统运作和控制,用作监察GPS测量仪和光纤通讯网络的运作状况,当系统出现问题或位移数据超出预设极值时,系统会发出警号和红色灯号,提醒系统管理员。第2台为分析工作站(GPS-AWS),将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估,并用作进阶图像处理和执行图像输入/输出工作。这两组电脑工作站均与桥监系统电脑系统联系一起,供数据整合之用。在需要情况下,GPS-AWS可转换成GPS-OWS操作系统,作为后备工作站以维持正常运作。GPS工作站电脑系统的软、便件配置见表1、表2。
4 桥梁结构健康检测和评估的应用[1,2]
GPS监测系统为桥监系统中的一个功能增强设施,其主要作用为直接测量3座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移,并推算其截面中线相应的导量位移,继而再配合其它结构分析软件,来评估各相应主要构件的应力状况。目前桥监系统对大桥结构的评估有3方面,分别评估桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力评估包括大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等,其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备,以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态评估则与大桥结构或其构件在日常荷载下的变形、裂痕、振动等有关,其评估结果有助安排合适的定期养护维修,而这类评估亦较为重要。耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因,以及其对材料物理特性的影响。
GPS监测系统对大桥整体结构的位移监测,可更直接改进桥监系统的一般检测和评估工作,例如:(1)报告大桥整体结构的位移从而反映其工作环境和荷载的变化;(2)进一步分析运算主要构件的实际内力分布,例如主悬索缆、纵向主梁等;(3)验证不寻常荷载记录,例如台风、地震、超重交通荷载或被车船撞击事故等;(4)推算大桥主要构件是否损坏或累积性的损坏;(5)推算大桥的承载能力及论证设计施工假设和参数的有效性;(6)为大桥营运和维修决策者提供大桥超载的警告信息。
5 桥梁整体性营运状态监测[1,2]
5.1 风力效应监测
根据香港岛东南5 km的横栏岛(Waglan Island)气象站所收集到的风结构资料。虽然桥址和气像站所处的高度都约为70 m,但有对大桥进行抗风能力分析和风洞测试地形条件的差别,再加上悬吊体系桥梁对风振有较大的反应,因此测量大桥桥址的风结构和论证大桥的抗风设计假设和参数的有效性,成为大桥抗风振监测的主要部分。配合桥监系统的风速、风向监测,利用从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料,可对大桥进行风力效应监测及结构的抗风振验算复核;测量特定风速的持续周期,用以检测桥梁的涡激共振的平均持续周期。另外,也可与在桥身中同步测量的加速仪数据互相验证,确定大桥结构的抗风振的效应。
5.2 温度效应监测
由于温度变化与太阳辐射强度、材料热能散发率、环境温度及风速风向等因素有关,因此大桥的温度参数的极值不能从个别因素去推论。监测大桥环境温度和桥梁结构上温度的分布状况,可用作推算大桥的有效桥梁温度和差别温度的极值,此为大桥温度荷载监测的主要部分。GPS监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化,可验证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期,例如主悬索缆的垂直位移,桥身的纵向、横向及垂直位移,与相应的塔顶的横向及垂直位移等,再与桥监系统的结构有效温度和差别温度的极值互相验证,增强大桥整体温度荷载监测的可靠性。
5.3 交通荷载效应监测
对一般大跨度桥梁而言,交通挤塞是交通(车辆)荷载的主要设计考虑因素。而大桥的交通荷载长度(Loaded Lengths)设计是基于:(1)每天交通挤塞形成的次数;(2)交通挤塞发生的位置、持续时间、车辆的类型和分布模式;(3)交通挤塞时的交通流量等假设。测量和论证交通荷载设计假设和参数的有效性,是大桥交通荷载监测的主要项目。从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移数据,可与桥监系统的交通荷载及分布状况的监测资料互相验证,协助进一步制定桥梁结构的各级应力阶段,并用作大桥主要构件的疲劳寿命估算。
5.4 铁路荷载效应监测
对青马大桥和汲水门大桥而言,铁路机车的荷载亦成为另一主要的设计考虑因素。青马大桥和汲水门大桥的铁路路轨承台是由纵向工字钢梁(Waybeams)承托的,铁路机车荷载从纵向工字钢梁传到大桥桥身的加劲梁构件,再分布到其内的横向框架上。由于桥监系统中没有传感器能直接测量铁路机车在大桥上所产生的荷载,因此,只能通过安装在大桥中跨的纵向工字钢梁上的应变仪,进行铁路荷载的监测,绘制相应的感应线来推算单一机车车盘的荷载,再进一步推算整列机车的荷载,计算火车的数量和长度。同样的,GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移数据,可作进一步验证从结构应力与位移的相互关系系数。图8为青马大桥桥身在铁路机车荷载下的垂直位移幅度,可与水平仪的数据进行比较。
5.5 大桥钢索索力的监测
大桥的钢索索力状态(包括悬索,吊索,斜拉索和稳定索等)是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志。利用GPS监测系统在青马大桥主悬索缆得出的三轴向位移资料,运用有关的索力公式去推算钢索承受的拉力,定期监测钢索索力的状况,并进一步分析桥身和主悬索缆的应力分布相互关系。
5.6 大桥主要构件应力监测
大桥的结构设计一般上是基于导量位移,任何索塔和主梁轴线偏离设计轴线,都会影响大桥的承载能力和构件的内力分布,因为在几何位置上的任何变化,都会改变桥梁自身的内力分配,从而影响桥梁的承重能力。结构评估工作先从GPS监测系统得出的桥身截面中线度量位移,将其输入模拟桥身等效刚度的鱼骨结构分析电脑模型,通过距阵运算,得出全桥整体的内力分布;再利用局部的结构分析模型来模拟桥身的主要构件,再推算出主要构件的个别应力状况。在恒载和交通荷载作用下,大桥主梁与各构件有不同的内力分布,通过桥监系统对主要构件部位进行的应力监测,整合GPS位移数据对相应构件的应力推算,不仅能多方面验证各构件的应力和位移相互关系,从而为评估大桥的承载能力、营运状态及耐久能力提供更有力的依据;此外还能通过监测应力或位移状态的变异来判断大桥结构是否有损坏或潜在损坏的状态。
6 结论
近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升,将此测量技术应用于直接量度桥梁整体的三维位移,直接监测大桥主跨梁及索塔轴线的位移变化,配合结构分析模型来模拟桥身主要构件的内力状况,可增强桥梁结构健康监测和评估的可靠度,并检测大桥结构有否潜在损坏的危机,如果检测到有损坏情况,可以推断损坏成因,并可以决定修复的方法提高养护维修工作的效率和效果。
摘要：为增强桥梁结构的健康监测工作,香港特别行政区政府路政署将GPS应用于青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥的健康监测系统中,其主要任务是测量4座悬吊体系桥梁、桥身和桥塔瞬间位移,进而推算其相应的导量(截面中线)位移及各相应主要构件的应力状况。该文主要介绍路政署于青马管制区内所安装的GPS监测系统,并对有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用,如风力效应监测,温度效应监测,交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等进行介绍,最后对监测结果进行分析和评估。
关键词：悬吊体系桥梁,人造卫星定位系统,结构健康,监测系统,结构评估
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桥梁结构监测系统 篇4
2011-09-18,由江苏省交通科学研究院承担的“大型桥梁结构健康监测系统自身状态评估技术研究”项目通过鉴定,成果达到国际先进水平。“大型桥梁结构健康监测系统自身状态评估技术研究”针对大型桥梁结构健康监测系统构成复杂,信号具有时滞、强耦合、参数时变等非线性特征的现状,研究了多种异常信号的识别方法,提出了多种数据异常识别、特征分离及数据异常特征库构建的方法和步骤,经实桥数据检验表明,具有很强的实用性和推广价值。
浅谈桥梁结构的安全监测技术 篇5
桥梁安全监测属于结构安全监测范畴, 结构的安全监测是由结构的状态监测与病害诊断两个过程构成, 两者既有密切的联系又互有区别。状态监测是指通过某些方法对结构的特征参数, 例如振动、应力、变形、温度等进行测量, 将测定值与结构正常工作时的数值进行比较, 以判别结构的工作状态是否正常。状态监测又称为简易诊断, 在这个过程中只对结构有无病害进行评判, 而不作分析。因此, 通常只要恰当地选择监测参数、测点及监测周期, 一般都能取得良好的效果。
1.1 结构状态监测
桥梁结构状态监测有定期监测和连续监测, 其主要内容如下:振动监测:以结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数为监测目标;声学监测:以噪声、声阻、超声、声发射为监测目标;温度监测:以温度、温差、温度场、热像为监测目标;性能趋向监测:以结构的各种主要性能指标为监测目标;强度监测:以力、应力、应变、扭矩为监测目标;表面形貌监测:以变形、裂纹、斑点、凹坑等为监测目标。
对于不同的监测对象, 由于影响其工作性能的控制因素不同, 所以监测的物理参数各不相同。振动和噪声的监测应用最为广泛, 对于桥梁这种大型土木工程结构, 通常以振动监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标。
上述这些监测对象对不同的结构具有不同的灵敏度, 其效果也不同。因此, 监测对象的选择是结构检测中至关重要的一步, 通常选择灵敏度较高的特征参数作为监测对象, 也可以几种参数联合使用。
1.2 病害诊断
根据所采用的病害特征描述和决策方法的差异形成了不同的诊断方法, 概括起来有依赖于模型的诊断方法和不依赖于模型的诊断方法两大类。对于这两大类诊断方法, 通常所采用的决策与分离方法如下。
阈值逻辑法或对比诊断法。这种方法简单明了, 应用最广。首先通过初期的统计归纳、实验研究、分析计算, 确定与各种状态一一对应的征兆 (即基准模式或阈值) , 然后将获得的征兆与基准模式进行比较, 立即可获得结构的状态。
人工神经网络法。该法是20世纪80年代末90年代初才真正具有实用性的病害诊断方法。在实现病害诊断时分为两个阶段:学习阶段, 选定合适的网络结构和模型, 借助一定的学习算法, 以能够反映系统的动态特性、建模误差和干扰影响的变量作为神经网络的输入, 以对应的状态编码为期望输出, 构成输入/期望输出样本, 对神经网络进行训练, 确定神经网络的权值和阈值, 当学习收敛后冻结神经网络的权值和阈值;诊断阶段, 使训练好的神经网络处于回想状态, 对于一个给定的输入, 便产生一个相应的输出, 由输出与状态编码进行比较即可方便地确定病害。
专家系统法。在桥梁使用过程中, 若某时刻结构发生病害, 领域专家往往可以凭视觉、听觉、嗅觉。触觉或测量设备得到一些客观事实, 并根据对桥梁结构和结构病害历史的深刻了解很快就作出判断, 确定病害的原因和部位。对于复杂结构的桥梁病害故障诊断, 这种基于专家系统的诊断方法尤其有效。随着计算机科学和人工智能的发展形成的专家系统的方法, 克服了基于模型的病害诊断方法对模型的过分依赖性, 成为病害检测和隔离的有效方法, 并在许多领域得到应用。
模式识别法。这种诊断方法实现病害诊断的步骤分为两个阶段, 即:离线分析, 通过离线分析确定能够表达结构状态的特征向量集和以该特征向量集描述的病害模式向量, 由此形成病害的基本模式集, 并确定区分识别这些模式向量的判别函数;在线诊断, 实时提取结构状态的特征向量, 由判别函数对病害进行分离定位。
模糊数学法。系统的状态有时是不分明、不确定的, 因此可以用模糊集来描述。通过采用模糊聚类分析将模糊集分为不同水平的子集, 由此判别病害最可能属于的子集。另一个有效的方法是首先建立起病害与成因的模糊关系矩阵R, 如果当前病害成因向量的模糊隶属度为C (Charactoristic) , 则病害D (Disease) 通过模糊合成加以确定, D=R*C。另外, 模型假设检验法, 贝叶斯决策函数法, 特征量统计检验法和逻辑代数法等也用于结构的病害诊断。
2 桥梁结构安全监测的动力响应法
结构在各种激励下的动力响应是其整体状态的一种度量。由于结构的质量、刚度和阻尼特性在结构损伤而发生病害时会因此而改变, 其动力响应也必将发生变化, 这种变化可以通过振动测试方法得到。
2.1 动力响应监测的振动模态法
如何准确地检测出结构参数 (刚度、阻尼和内部荷载) 的变化, 为结构状态和病害程度的评估提供一个量化的方法, 振动模态方法就是一个行之有效的方法。桥梁的振动模态通常可用常规的试验模态测试分析的方法得到, 通过测量不同部位的振动响应, 可获得桥梁结构振动模态参数的变化, 以此确定结构的工作状态。与其它无损监测方法相比, 振动方法具有经济有效而且使用起来比较安全的优点。而且在许多其它领域已经有几十年的发展历史, 积累了丰富的成功经验。因此, 振动模态测量方法在桥梁结构安全监测领域的发展非常迅速。
模态测试分析时需要注意4个方面问题: (1) 便捷的可控激振方法; (2) 恰当的传感器及振动测点网络; (3) 数据采集系统; (4) 分析软件, 能够从含噪声的测试信号中提取所期望的模态信息。
对结构病害敏感参数的选择是振动模态测量中的重要环节。这些敏感参数可分为两大类, 一是振动模态参数, 如固有频率、阻尼比和模态振型;另一类是应力应变参数, 如应力分布、应变能和应变模态。另外还有诸如能量转换率等其它的指标参数。
2.2 动力响应监测的动力系数法
当车辆在桥面上行驶时, 桥梁会发生振动。当桥梁发生病害时, 其动力响应值会增大。因此, 在桥梁的关键部位 (如桥墩底部) 布置一些诸如加速度计、速度传感器和应变传感器之类的拾振器, 测量桥梁的动力响应, 通过信号调理后记录分析, 判断响应值是否超过允许值或超过多少, 由此对桥梁的安全性进行评判。
动力系数是指桥梁由于振动而增加的应力或动挠度对于静载所增值的比率。当桥梁发生病害时, 动力系数必然会增大。用电阻应变片或红外线挠度仪可测量桥梁的动、静应力和动、静挠度信号, 然后利用信号采集系统采集信号, 采用专用软件检测和记录车辆行驶引起的时程应力和时程挠度并计算动力系数, 分析动力系数是否超过允许值, 从而可对桥梁的局部或整座桥梁的安全状态作出评估。
动力系数法的特点是方法简单, 传感器易于安装。可进行长期的在线监测和通过网络实现远距离操作。对环境无污染, 成本较低。
参考文献
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桥梁结构监测系统 篇6
结构安全 (健康) 监测 (Structural Health Monitoring, 简称SHM) 指利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。
结构安全监测技术大致经历了三个发展阶段:第一阶段以结构监测领域专家的感官和专业经验为基础, 对诊断信息只能作简单的数据处理;第二阶段以传感器技术和动态测试技术为手段, 以信号处理和建模为基础, 在工程中得到了广泛的应用;近年来, 为了满足大型复杂结构的安全诊断要求, 进入了以知识处理为核心, 数据处理、信号处理与知识处理相融合的智能发展阶段。
2 结构安全监测系统的构成、过程
2.1 结构安全监测系统的构成
结构安全监测系统一般包括传感器系统、数据采集和分析系统、监控中心以及实现安全评估功能的各种软硬件, 是集结构监测、系统识别和结构评估于一体的综合监测系统。如图1所示, 首先用先进的传感测试仪器、高精度全站仪等设备对桥梁在施工荷载作用下的各种响应进行监测;然后对监测到的各种数据信息进行分析处理, 结合结构模型等先验知识对结构进行诊断, 分析结构安全状态;最后对桥梁结构的安全状态进行评价, 并确定科学的施工决策。
2.2 结构安全监测系统的监测过程
大型桥梁施工阶段安全监测是指通过某些测试方法对结构的特征参数, 例如应变、变形、温度、挠度等进行测量, 将测定值与结构设计正常工作时的数值进行比较, 以此判别结构的工作状态是否正常。它只对结构施工过程中的安全状况进行评判, 便于对结构的工作状态进行预测、预报。根据桥梁的实际特点, 以及桥梁刚构的力学特征, 恰当地选择监测参数、测点以及监测周期, 然后把结果和计算 (预测) 结果相验证, 在计入误差和变量调整后由设计人员分析以后每阶段乃至竣工后结构的实际状态, 预告今后施工可能出现的状态, 并预报下一阶段当前已安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态, 以确定是否在本施
工阶段对可调变量实施调整。整体工作流程见图2所示。
3 结构安全监测系统的监测内容
3.1 钢筋锈蚀及构件缺损监测
3.1.1 钢筋锈蚀
钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三方面。其一, 钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小, 从而使钢筋的承载力下降, 极限延伸率减少;其二, 钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多 (一般可达2～3倍) , 体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力, 发生顺筋开裂, 使结构耐久性降低;其三, 钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。
3.1.2 构件材料缺损
桥梁构件材料缺损状况是指桥梁各部分结构及各构件材料、裂缝、变形位移等缺陷的严重程度。它是衡量桥梁技术状况的主要指标, 也是评价桥梁施工过程各分部分项工程合格与否的重要参数。混凝土中常见的缺陷有裂缝、碎裂、剥落、蜂窝、空洞、环境侵蚀和钢筋锈蚀等。桥梁构件材料缺损状况检测常用的方法有:目视检查、超声波探伤技术、声波检测法及雷达检测技术等。
3.2 位移及挠度监测
无论采用什么施工方法, 桥梁结构在施工过程中总要产生变形 (挠曲) , 并且结构的变形将受诸多因素的影响, 极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置 (立面标高、平面位置) 状态偏离预期目标, 使桥梁难以顺利合拢, 或成桥线性形状与设计要求不符, 所以必须对桥梁实施控制, 使其结构在施工中的实际状态与预期状态之间的误差在容许范围之内、成桥线性形态符合设计要求。
3.3 强度长期监测
混凝土强度检验是工程质量控制的重要环节, 也是结构安全鉴定的主要项目。混凝土强度的实体检测方法可分为非破损法和局部破损法。混凝土无损检测技术是指在不破坏混凝土结构构件的条件下, 在混凝土结构构件原部位上对其混凝土强度和缺陷进行直接定量检测的技术。国内外混凝土强度的检测方法主要有回弹法、超声—回弹综合法、钻心法、拔出法以及无损与其它半破损方法相结合等方法。其中回弹法、钻芯法及超声波法在实际检测中应用最为广泛。
3.4 混凝土应力长期监测
桥梁结构在施工过程中以及成桥状态的应力情况是否与设计相符合是施工监测要明确的重要问题。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态, 若发现实际应力状态与理论 (计算) 应力状态的差别超限就要进行原因查找及调控, 使之在允许范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那么易于发现, 若应力控制不力将很可能会给结构造成重大危害, 严重者将发生结构破坏。
3.5 温度监测
温度对于桥梁结构的施工安全状态影响较大, 温度监测主要包括大体积混凝土浇注过程中水化热温度监测及日常温度监测。
3.5.1 水化热温度监测
随着材料的更新, 施工技术的进步, 预应力混凝土连续箱梁的跨径越来越大, 对于采用悬臂现浇工艺施工的箱梁, 其在桥墩附近的节段的底板厚度也越来越厚, 大跨径预应力混凝土箱梁的墩顶段底板厚度一般都超过了1.0m。同时, 箱梁采用的混凝土设计强度较高, 一般都超过50MPa, 属于高强混凝土, 相应单方水泥用量较多, 水化热引起的混凝土内部温度较普通混凝土要大, 有可能因混凝土的内外温度差和温度变形较大而造成混凝土硬化后的表面裂缝, 这种情况已经引起了桥梁工程界的重视。
3.5.2 日常温度监测
温度变化相当复杂, 包括季节温度、日照温度、骤变温度、残余温度等, 而在原定控制状态中又无法预先知道温度的实际变化情况, 所以在控制中难以考虑。通常是将控制理想状态定位在某一特定温度下, 从而将温度变化对结构的影响相对排除 (过滤) 。一般是将一天中的温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间。但对季节温度和桥梁体内的温度残余影响要予以足够重视。
3.5.3 监测方法
在需要温度监测的部位布置温度测点, 通过预埋温度传感器的方式监测水化热温度。日常温度可采用温度计测量。
4 结构安全监测的关键技术
4.1 传感器选择及优化布置
4.1.1 传感器的选择
大型桥梁工程结构通常都具有体积大、自振频率低的特点, 而且, 除非是在强震情况下, 否则结构的震动响应水平一般都比较低。因此, 结构安全监测系统的传感器必须能够在低频范围内工作, 而且还必须具有一个较宽的动力性能量测试范围。概况起来, 选择适宜的结构安全监测系统的传感器应从: (1) 兼容性; (2) 结构; (3) 性能; (4) 测量方式等方面加以考虑。
4.1.2 传感器优化布置
在整座桥梁所有自由度上安置传感器是不可能也是不现实的。因此, 就出现了传感器的优化布设问题。通过尽可能少的传感器来获取最可靠而最全面的桥梁安全状况信息, 就是优化布设的目的。在这方面已经有许多人做了有效的研究工作, 给出了各种不同的传感器优化布置的数学模型。主要方法有: (1) 模态动能法; (2) 有效独立法; (3) 奇异值分解法; (4) 模型缩减法; (5) 遗传算法; (6) 振动试验模态分析法。
4.2 数据采集及处理
对于桥梁结构的安全监测系统而言, 数据采集是实时在线而且长期进行的, 因而必须采用自动化数据采集装置, 工作流程一般为:传感器将量测的非电量转换成容易量测的电量后, 通过模/数转换, 将数字量直接输入到计算机中。数据采集硬件系统配合相应的软件系统组成一套数据采集系统。一套数据采集系统可以将试验员测试阶段和试验数据整理阶段合而为一, 实现快速、多点、自动测量和记录试验数据。
数据管理系统的主要功能是实现对桥梁结构工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理, 通过该系统可进行数据的修改、删除、查询等操作。桥梁结构安全监测数据库的性能直接影响到整个监测系统使用的方便性与可靠性。
4.3 监测系统的长期维护
大型桥梁施工阶段结构安全监测是一个非常复杂的系统工程。因为桥梁施工阶段结构安全监测是长期的实时在线监测, 现场的恶劣环境对于监测系统的各种硬件设备、数据通讯与采集都是严峻的考验。虽然不能苛刻要求用于安全监测的一起设备具有与被测的桥梁结构一样长的寿命, 但是必须认真考虑这个问题, 使消耗较大的安全监测系统真正发挥其作用。
国内外已建的桥梁监测系统, 在传感器等硬件设备的保护、维护等方面都或多或少存在一定的问题, 有的是无人维护、有的是应传感器等硬件设备的损坏、失效而导致整个系统的瘫痪。
5 结语
实际桥梁设计理论和施工技术的不断进步使得桥梁跨度不断有新的突破, 结构形式也日趋复杂, 作为生命线工程中的桥梁监测和评估工作显得尤为必要和急迫。随着大跨度桥梁在交通运输中占据日益重要的地位, 建立与之相适应相匹配的桥梁施工监测与评估系统成为桥梁界研究的热点之一。本文根据大跨径连续刚构桥的施工控制的特点, 探讨了各种主要参数对结构内力和变形等方面的影响, 在其他桥梁施工控制中可以借鉴使用。
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桥梁健康监测与预警系统研究 篇7
我国桥梁建设已取得的令人瞩目的成, 跻身于世界桥梁大国之列, 并逐步迈向桥梁强国, 同时随着桥梁建设进程的加快, 各类桥梁结构损坏事故也增多起来。因此桥梁的健康监测与预警技术研究成为一项迫切而重要的工程任务和国内外学术界、工程界研究的热点, 建立起完善的桥梁监测系统是非常必要的。然而这一课题仍处于起步阶段, 存在不足之处, 特别是是工程应用远远跟不上需求。
桥梁健康监测与预警系统是由多种学科集为一体的成果, 任何一个部分都同等重要, 且相互牵制影响。本文探讨以一在役斜拉桥为工程依托, 建立基于网络的数字化安全监控系统:包括区域性的分析处理中心、开发相关的数据存贮管理软件、结构计算软件、安全评估软件、基于网络的桥梁状况信息软件, 同时在桥梁上安放相关的数据测试及传输设备, 并联网到分析处理中心, 经过计算机对数据分析计算后, 将相关的结果传送到桥梁养管部门, 达到对桥梁实时监测的目的。
2 桥梁健康监测与预警的关键技术
桥梁健康监测与预警的主要功能是针对桥梁结构在使用过程中出现异常问题可以及时、无误地给出判定结论, 形成一个面向桥梁实时安全监测的信息服务系统。
斜拉桥是通过斜拉索将索塔、主梁连接在一起的超静定结构体系, 斜拉索拉力测试结果的精度将直接影响对整体结构工作状态的判断。虽然大多数斜拉桥实际的索力只是钢索极限强度的40%~45%, 只要索的锚固不出现锈蚀、松动等异常现象, 斜索一般不会发生问题的, 但对于斜拉桥的整体安全评价工作并不仅仅只是限于斜索的安全与否, 而是了解桥梁受力状态的可能出现的所有影响因素。所以测试索力, 并考虑斜索的刚度、垂度、仰角以及温度、风力、雨雪等因素的影响是研究工作和解决的问题重点。
用振动法进行桥梁损伤检测, 可在不中断交通的情况下, 测定前若干阶自振频率和振幅, 来识别桥梁损伤位置和损伤程度。这是桥梁检测研究的热点。目前还有不少问题有待解决。其中一个最大难点是这类损伤识别问题是一种逆问题, 解答往往不是唯一的, 而且也很少能找到直接的求解方法。神经网络在解决诸如此类问题上有着明显的优势。
斜拉桥是一种多构件组成的大型柔性体系桥梁, 其受力和变形受到多种因素的影响, 变化规律也较为复杂。在斜拉桥的实时监控过程中, 由于检测方法和检测设备的不尽完善、周围环境的影响、以及检测人员能力有限, 实时监控所得数据和被测量的真值之间, 不可避免地存在着差异, 这也就是人们常说的误差。为使检测分析数据尽可能接近真值, 尽可能减小误差, 必须对斜拉桥实时监控采集的各参数进行误差分析和评价, 并据此提出一些环境条件影响的测试修正方法, 从而形成供桥梁现行宏观工况检测评价的技术方案, 同时不断完善实时监控系统。
实时监控系统包括结构特征原型数据采集、处理系统、结构健康状况评估及损伤检测系统。其中结构特征原型数据采集、处理系统就是通过对斜拉桥整体结构的受力特点和构件的相关性分析, 确定结构特征控制部位, 并布设相应的传感器, 借助采集控制系统的控制, 分别采集结构在不同时期、各种特定条件下各控制部位在某一时刻时的原型数据。
对结构原型观测数据的误差分析可根据造成误差的原因, 找出其各项误差因素, 并弄清各项误差的性质、量值及影响总误差的方式, 再按误差合成原则将所有误差合成在一起, 确定其综合误差。
由于实时监控所采用的仪器、方法不尽相同, 所得数据的误差产生的主要原因也就不大一样, 因此在对实时监控系统进行误差分析时, 就不能不先对仪器及测量方法的误差进行分析。采用标高等测量的误差分析及修正方法;动态误差修正方法, 在测试结果中是否存在动态误差以及有多大, 就很难判断。其误差只有通过实验进行标定, 并通过一些修正方法加以修正, 以减小测试的误差, 提高测试的精度。
总体结构的评价是在已经获取某些构件评估指标值的基础上, 通过所建立的损伤情况评估模型, 对因损伤造成的破坏程度进行评估。目前国内外尚无统一的桥梁评估指标体系和对各指标的量化等级标准。我们通过损伤的概念, 建立损伤量化的等级量及相应的损伤评估模型, 该模型对于结构损伤评估在实际中的应用具有较大的实用价值。
以索塔顶点的位移为控制点, 来了解全塔的变形情况。从塔顶位移的观测数据, 可看出索塔的偏位情况, 因此可在采集一定的数据量之后, 设置预警界限。梁挠度预警界限包括两个指标, 一是长期实测数据的均值, 另一个是桥面挠度的计算值。当桥面标高变化超出这两个值中任一个值的一定量时均予以报警。根据收集的索力数据资料, 了解到拉索索力值的一般变化范围, 并以变化值超出这一范围一定量时进行异常报警。实际上从理论分析或其它桥梁的工程实践可知, 当全桥仅有某一拉索出现突发性的损坏时, 并不完全会造成全桥结构的危害, 提出预警的目的只为引起养护管理的重视。
单项指标的预警反映的是桥梁局部的损伤情况, 根据单项指标的变化将给出总体结构的评价。在综合各种采集的数据分析后, 对全桥进行的损伤程度的综合性评估, 由建立的量化评估指标等级作为预警参数的设置依据, 它的预警反映了全桥整体损伤程度。我们通过损伤的概念, 建立损伤量化的等级量及相应的损伤评估模型, 先把实测指标按损伤程度分级, 并对不同指标给予不同的权系数。然后逐层向上分析, 最后用综合法可得到全桥损伤的评估等级。
3 桥梁健康监测与预警系统的组成部分
根据桥梁健康监测及安全监控预警系统的技术实施路线, 可由以下五个子系统所组成并通过网络联系而进行工作。自动化数据采集系统:包括传感器模块、数据采集模块和传输模块、数据处理和控制模块。
信号采集与传输系统是将经传感器变换、放大器放大后的信号, 直接以模拟量的方式记录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行记录。另外, 为了达到实时监测或远程监测的目的, 还要将这些数据通过合理的传输方式传送到监控室, 主要的设备包括:信号采集器和网络连接器及连接线等设备。
信号处理及控制系统是对数据采集和传输部分获得的数据信息进行收集、整理、加工、存贮及传播等一系列活动的总和。它的基本环节是进行数据的组织、存贮、检查和维护等工作。主要是通过各种数学手段 (如FFT、误差分析等) 及数据库等解决数据冗余问题, 从而实现数据独立和数据共享, 并解决由于数据共享而带来的数据完整性、安全性及并发控制等一系列问题, 主要的设备包括:数据存储、处理及控制设备。
基于电子化人工检查的养护管理系统:主要是对桥梁运营过程中各级别检查的内容、手段、检查信息进行电子化管理, 能实现归纳结构退化和各类维修费用的功能, 同时还可对档案有效管理及查询。包括人工检查数据的录入设备。
结构状态及损伤识别系统:从数据测量系统获得的数据经初步处理后或在终端上显示, 或直接进入数据库。该子系统的目的是根据各监测项目的特点, 使各种不同类型的数据通过恰当的组织, 被有效地存储起来, 在保证必要信息存储的前提下, 尽量减少数据的冗余度。该部分包括:高性能计算机及分析软件, 必要时进行实时分析处理。
结构安全综合评估系统, 该子系统的功能是根据表观的检测结果及综合监测的结果, 进行标准化评分, 对桥梁的质量、桥梁的安全状态做出综合评估, 为桥梁日常养护或维修加固提供依据。为了能根据有限的监测数据对桥梁的安全状态做出全面的评价, 该系统还应该包括能对结构进行损伤识别的子系统。
上述五个子系统又可以分为硬件系统和软件系统两大类。硬件系统包括自动化数据采集系统中的硬件系统、基于电子化人工检查的养护管理系统中的硬件系统、软件系统中的硬件系统以及控制系统中的电脑硬件系统;软件系统包括计算机系统运作, 信息收集/处理/传送, 结构分析/评估, 信息存储/传送/管理、可视化处理及远程访问等。
4 工程实例
根据上面的技术路线, 在实际斜拉桥的第一阶段系统中安装了索力、挠度采集系统, 风速风况采集系统, 和温度采集系统。全桥4个索面共180根斜拉索, 其中的64根索上安装加速度传感器拾取其振动信号。具体位置是在每个索面的45根索中, 从索塔向两侧第1、4、7、…、19、22、24、27、…、45号索上安全传感器。主梁的跨中、1/4、3/4断面的上、下游侧安装挠度传感器, 共6个。每个塔顶各装一只风速、风向测试仪, 一只温度测试仪, 一只角度倾斜测试仪。另有服务器1台、前端控制器1台。
软件系统包括原始数据采集、数据处理及数据分析为一体的综合型工程。系统具有以下功能:数据采集、数据录入、数据处理、计算索力、计算位移、预警位置、计算方法变换、数据传输、预警系统, 结构安全评价等。
桥梁安全监测已得到普遍的重视, 本系统的使用, 可对桥梁结构在使用过程中出现的异常问题做到及时、准确地给出判定结论, 对桥梁病害起到早发现、早预报、早治理作用, 以确保大型桥梁结构的安全, 延长桥梁寿命, 减少桥梁垮塌造成的重大经济损失及人员伤亡事故。
5 研究展望
桥梁健康监测与预警研究尚处于起步阶段, 许多问题需要进一步深入研究。目前有以下几点值得考虑:
(1) 系统研制成本高, 一桥一例, 没有通用系统。特别是软件, 必须根据不同桥的具体特点, 单独编程。
(2) 桥梁健康监测的核心技术是损伤的识别, 提高精确实现损伤定位具有很大的工程意义。
(3) 传感元件的耐久性也是一个突出的问题。智能传感元件, 例如光栅光纤传感器用于监测系统有着良好的效果, 探索、研究以及在土木工程中的应用有大量工作需要开展。
摘要：结合理论研究, 依托实际桥梁工程, 建立桥梁健康监测与预警系统, 形成一个面向桥梁实时安全监测的信息集成系统, 以对桥梁结构在使用过程中出现的异常问题真正做到及时、准确地给出判定结论, 对桥梁病害起到早发现、早预报、早治理作用, 以确保大型建筑安全, 延长桥梁寿命, 减少桥梁垮塌造成的重大经济损失及人员伤亡事故。
关键词：桥梁健康,监测与预警,斜拉桥,结构状态
参考文献
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