桥梁结构健康（精选10篇）
桥梁结构健康 篇1
1 桥梁结构健康监测的概念
交通是社会的经济命脉, 桥梁是交通的咽喉, 交通不畅会制约社会的经济发展, 所以保障桥梁的功能性、耐久性, 尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生, 对桥梁结构进行健康监测应运而生, 桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础, 采用各种适宜的检验、检测手段获取数据, 为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证;对结构的主要性能指标和特性进行分析, 及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷, 诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度, 并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估, 为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号, 为桥梁维护、维修与管理措施提供依据, 并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏, 保障和延长桥梁的使用寿命的目的。
2 桥梁结构健康监测系统
2.1 检测内容
数据采集与测量的内容主要为:变形 (沉降、位移、倾斜) 、应力、动力特性、温度、外观检测等。
2.1.1 变形监测采取适宜的测量手段, 对桥
梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有:导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。
2.1.2 应力监测
桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起的。外部条件主要有动荷载、气候、侵蚀、撞击和其他突发事件的作用等, 而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。应力监测数据可以定量性地反映出桥梁主体结构的内应力变化和性能变化情况。
2.1.3 动力特性监测
桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关, 动力监测是在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的条件下进行, 主要对桥梁结构由桥址处风荷载、水流等随机荷载激振引起的微小振动响应进行测定。检测项目主要为:主体结构的自振频率、振型等。桥梁结构动力检测方法主要有:固有频率、应变模态、模态置信度判据、柔度矩阵、小波分析、遗传算法等。
2.1.4 温度监测
通过对整桥温度场的监测, 可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响;可以了解桥梁结构在某种温度场下的结构变形、内力变化等情况。
2.1.5 表观检测
表观检测的主要内容为:桥梁混凝土裂缝、强度、碳化深度、外观质量检测、钢梁及金属结构外观及腐蚀检测及支座、桥面铺装、伸缩缝、锚端连接等部位、部件的损坏情况观察等。
2.1.6 其他监测项目
2.1.6. 1 新方法、新仪器、新设备、新理论应用监测;
2.1.6. 2 规范等改变导致桥梁使用等级改变的结构监测;
2.1.6. 3 为获取监测数据而设置的传感元器件和配备的仪表、设备、装置的校准性监测等;
2.2 数据传输
稳定可靠的数据采集和传输对于保证监测系统的长期运行有着重要意义, 同时是获取有效、可靠的监测数据的前提, 要注重并做好以下几项关键性工作:
2.2.1 数据采传输的同步是桥梁结构监测
系统的关键性技术问题, 是数据处理、分析和桥梁健康评估的基本前提条件。做到挠度、振动等子系统各点采集的时间同步性尤为重要。
2.2.2 关于数据采集节点设备和传输链路的合理配置与优化。
影响数据采集节点设备和传输链路可靠性的因素相当复杂, 必须研究设计重点考虑系统合理的配置和优化。
2.2.3 关于系统数据采集过程中单点故障问题。系统需要具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。
2.2.4 关于检测系统自身故障的自检与报警。
系统能够识别和检查出传感器故障、电流回路泄漏、对不可信信号电平的捕获和子系统故障等, 并能在系统主机上给出相应的报警信息。
2.2.5 关于数据可靠性检验的问题。
系统具有能够对所监测数据进行自检、互检和标定的功能, 是保障原始数据可靠性的重要手段。
2.2.6 关于实现远程监控的问题。
通过因特网技术可以使桥梁管理者或桥梁专家在异地对系统实现远程监控和数据分析, 是桥梁结构健康监测系统的新需求。
2.3 数据分析处理和控制
数据分析处理与控制是指对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。这些工作是数据处理的中心问题, 一般称之为数据管理。二十世纪六、七十年代以来, 数据管理技术提高到了数据库阶段, 计算机中的数据及数据的管理统一的由数据库系统来完成。数据库系统的目标是:解决数据冗余问题;实现数据独立性;实现数据共享;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。
3 桥梁结构健康监测的现状与发展方向
桥梁结构健康监测系统对桥梁结构评估主要有三个方面:承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关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。营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关, 其评估结果有助于合理安排养护维修。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。
目前的桥梁结构监测系统中存在着监测项目种类不足和个别项目的规模又过于庞大的情况。在监测数据的管理方面, 没有一个较为完善的数据存储与管理系统, 大量的监测数据得不到妥善的处理与利用。并且, 现有的桥梁结构监测和状态评估系统大多属于单一的监测系统或者是单一的管理系统。
桥梁结构健康监测综合评估系统在桥梁设计阶段予以提前考虑并做出桥梁结构健康监测设计有着十分重要的积极意义:设计人员可依据桥型设计理论和结构特点、四新技术的应用等方面采用适宜的监测理论、方法与手段, 做出符合桥梁特点和系统的监测设计。桥梁结构健康监测设计与桥梁设计同时形成可及时、妥善地将相关监测软、硬件在施工、运营过程予以配备与设置, 使得监测系统的准备与运行工作做的更加充分与科学。
我国的桥梁结构健康监测尚处初期阶段, 随着桥梁结构健康监测工作的深入开展, 在远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等方面还需要提高和完善, 目前尚无现成的性能和数据评估方面的规范, 因此探索并形成稳定、可靠的监测系统、明确各项参数指标、科学获取与处理监测数据、形成监测规范等工作是桥梁结构健康监测今后的发展与努力方向。
摘要：桥梁结构健康监测 (对简称:桥监, 下同) 对于保障桥梁使用功能、安全运行、延长桥梁使用寿命、避免桥梁坍塌和局部破坏等严重事故发生有着重要的现实意义, 近年来, 桥梁结构健康监测成为国内外学术界、工程界的研究热点, 本文阐述了桥梁结构健康监测的概念、监测系统、现状和发展方向。
关键词：桥梁结构,健康监测,监测系统,发展方向
桥梁结构健康 篇2
桥梁的计算是一门各式桥梁结构内力的计算，竟而进行分析，运算，根据现有的交通状况，地质条件，气候变化，材料的强度，桥梁的总质量等，做出一系列的分析论证，合格后方能设计施工。
我国的桥梁建设发展迅猛，其规模和科技水平已紧随世界先进行列。基于有限元方法的软件技术也日新月异，计算已经和理论，实验一起，并列为三大科学方法之一。随着桥梁跨度记录不断刷新、新的结构体系和组合材料的应用以及施工工艺的发展，计算分析不断遇到新的需求和挑战。桥梁结构计算往精细化方向发展，桥梁结构计算面临复杂化。例如逐步抛弃偏载系数的概念，采用空间影响（面）求解活载效应，梁、板和实体单元以及混合模型广泛应用，计算模型的自由度和机时都在不断增加。例如超长拉索结构的非线性问题及施工控制、钢筋混凝土结构开裂非线性分析、墩水耦合振动分析、钢桥细节构造的疲劳分析、钢砼组合结构细部分析、基于并行计算技术的车桥耦合分析、数值风洞计算等，这些问题都相当复杂。
通过对桥梁结构和构件设计的学习，培养进行小桥涵设计、施工计算、施工现场结构问题分析与处理等职业能力；兼顾可持续发展的能力，为我们以后进行职业资格考试打下基础；同时在理实融合、基于实际工作过程的教学过程中激发学生学习的兴趣，培养学生的科学态度和团结协作精神，达到学习知识、掌握技能、提升职业素质的目的。
探讨桥梁工程结构裂缝及加固 篇3
关键词：桥梁工程；结构裂缝；加固；探讨
1 结构裂缝產生原因
1.1 荷载原因
桥梁之外的荷载引起的裂缝。包括：施工图设计阶段在桥梁结构设计计算时存在计算失误、选取模型不合适、受力分析不全面、配筋不科学、施工不现实等；产品实施过程中，荷载控制不严格，施工随意性大，偷工减料，不按图施工，采用次品代替，施工顺序乱等情况造成裂缝隐患；交付运行后，出现运行维护管理不到位，超重车辆未经许可擅自行驶、养护管理失控，基本无维修检测检查造成小隐患小问题变成大隐患大问题。
1.2 温差原因
桥梁工程结构混凝土因温差变化引起的裂缝。包括：混凝土入模浇捣后水化时，水泥发生反应放热，混凝土内温度迅速上升，而混凝土表面处于大气中，其温度无大的变化，这就在混凝土形成内外温差，当温差超过规定温度后，混凝土内部及表面就会产生应力，当应力超过混凝土表面及内部自身抵抗力后就会出现裂缝。因此做好混凝土养护及控制温差是极其重要的工作。
1.3 收缩原因
桥梁工程结构混凝土因收缩引起的裂缝。包括：未硬化收缩是指在混凝土浇捣至混凝土还未完全硬化过程中，混凝土中水泥发生水化化学反应强烈，混凝土中含水量急剧下降，混凝土出现收缩现象，极易出现裂缝；结硬后收缩是指混凝土结硬产生强度以后，随着混凝土表面含水量降低非常快，混凝土里面含水量降低慢，因内外含水量差出现混凝土表面和里面收缩不同，造成混凝土表面收缩力增大，当该力超过混凝土本身抵抗拉力能力时，从而产生裂缝。
1.4 锈蚀原因
桥梁工程结构混凝土因施工质量差、钢筋保护层厚度太薄，造成混凝土表面层达不到保护钢筋受锈蚀的情况下而造成混凝土因钢筋锈蚀出现的膨胀体出现裂缝的情况。具体为混凝土施工工艺未严格执行，设计钢筋保护层不满足相关规范要求，导致混凝土中钢筋保护层受空气中有害气体影响，致使处于混凝土中的钢筋周边被有害物质包围并与钢筋发生化学反应，化学反应产生的有害物质其体积并原有反应物的体积增大3倍以上，从而造成处于薄弱位置的钢筋外混凝土保护层受其影响而受力，当所受力超过混凝土自身的承受能力后即在混凝土表面造成开裂产生裂缝。
1.5 原材原因
桥梁工程结构混凝土因组成部分包括砂、石子、水泥、水以及减水剂等原材不能满足设计及相关规范要求从而导致混凝土裂缝。具体包括砂的直径达不到规范要求、砂的级配不过关、砂里含泥巴等有害杂质含量超过规范规定值；石子直径偏大或偏小、针片状多、级配差强度低、达不到设计及规范要求；水泥直接采用热水泥，未经处理，水泥中有害杂质超过标准要求；水含有有害杂质超过标准要求，水中含泥量大不洁净，特别是采用较为混的河水而不是自来水拌和；添加的减水剂等外加剂质量不满足设计及规范要求。
1.6 施工原因
桥梁工程结构混凝土在施工过程中，受混凝土施工工艺不当、施工过程中未严格按照设计及规范要求进行混凝土浇捣养护而导致混凝土产生裂缝，具体包括混凝土中钢筋绑扎不当致使钢筋保护过大、混凝土浇筑振捣过程中未能严格按照设计及规范要求进行分层有序快插慢拨以及根据振捣棒作用半径进行浇捣，混凝土养护不当或根本就不进行养护导致混凝土出现裂缝。
1.7 养管原因
桥梁工程结构混凝土在运营养护管理过程中，因未进行有效的养护管理导致产生裂缝。具体包括桥梁工程交付运营后，养护管理不到位、甚至压根就不养护、导致混凝土出现轻微裂缝时未能及时处理或处理不当，造成轻微裂缝不断生长成直接影响结构安全的结构裂缝。
2 裂缝处理及加固措施
2.1桥梁裂缝处理
（1）浅层喷抹：主要指在已经过凿毛处理的裂缝浅层表面，喷抹流动性能好的水泥浆液使其渗透进裂缝之中，达到填充密实效果。在进行浅层喷抹施工之前，严格按照要求做好凿毛及浅层污物杂质清理工作，确保在喷抹水泥浆液前浅层表面的洁净。
（2）浅层表处：主要指针对桥梁工程出现宽度不宽且浅的裂缝，可以采取浅层表处方法进行处理，就是通过表面抛丸设备对浅层进行抛丸，漏出全部裂缝后及时进行清洗干净，再配置填缝浆液进行灌缝，使得缝隙填满并密实。并及时覆盖养护防止下雨冲刷及污物污染。这种方法能够很好的对浅层裂缝进行快捷省工处理，应用较为广泛。
（3）加压注射：主要针对裂缝不宽且深度较深的裂缝，常规的对付表层裂缝的浅层喷抹及表处就起不到效果，需要通过借助一些加压等特种设备对此种裂缝注射环氧类高强度浆液，来确保该构件能够正常运行，在进行调制加压注射浆液时，严格按照要求进行先试验，经试验确定浆液浓度及流动性能等满足加压注射后方能正式投入使用，确保加压注射效果达到处治目标。
（4）补加：主要针对裂缝宽度较大且较深的情况，首先对裂缝进行凿切适合进行材料补加施工，凿切深度及宽度符合要求后，及时向凿切的沟槽中补加环氧类、沥青类及水泥砂浆类加强材料进行处理。在补加上述材料前，仍需先进行补加材料试配，满足要求后方可大面积使用，确保补加效果符合要求。
2.2 加固措施
（1）补加纵向大梁：主要是指针对跨度不太大的桥梁受结构裂缝影响，其自身的承重能力已经明显下降的情况下，建议采取补加纵向大梁的方法予以处理。具体即先根据试验情况确定补加的纵向大梁断面形式及材质选择，待试验确定了纵向大梁的具体参数后，再予以补加纵向大梁的施工实施，达到处理的效果。
（2）增加桥梁截面：主要是针对原有桥梁因裂缝等原因其承载能力大大降低且具备通过增加其整体梁的截面来达到恢复并进一步加强其自身承载能力的措施，具体即先根据现场地形通过模拟试验的方法确定桥梁截面增大的手段，是通过绑宽、增厚还是加强桥梁刚度等措施。待正式确定手段后，严格按照要求进行增加桥梁截面施工，确保处理达到效果。
（3）补充桥梁受力体系：主要是针对年代久远的桥梁工程中，经过近年来的桥梁实例证明其有设计不足及缺陷的情况，采取补充其受力体系的方法从而达到恢复并加强其自身承载能力的方法。具体即为对桥梁实体设计进行设计复核，找出冗余及不足部分，再根据发行的问题，按补充的设计进行严格施工，确保处理达到效果。
（4）添加体外措施：主要是指对于跨度较大、不易从结构本身进行处理的情况。如跨度过大采用传统的处理方法将达不到效果，对于结构本身已无法再添加荷载的情况等均需要通过添加体外的处理方法来恢复桥梁结构自身的承载能力。具体即通过对桥梁增加体外预应力、安装加固超轻质高强度材料等措施来提高桥梁结构的自身承载力。要求在施工前，先进行试验段施工及模拟试验，待证明处理可行后，方能大面积运用，按添加体外的要求严格进行施工作业，确保处理效果达到要求。
3 结语
桥梁工程混凝土结构裂缝的产生原因是多方面的，只有从混凝土结构的设计阶段、施工阶段以及运营阶段等各个阶段来预防和控制混凝土结构产生裂缝的可能性，做到真正从源头上堵住混凝土结构裂缝的产生。
参考文献：
[1]梅仁伟.关于桥梁结构裂缝加固施工技术探讨 [J].中国科技博览，NO.23 2009
[2]张坤明，郝帧阳.桥梁结构裂缝加固技术探讨 [J].世界家苑，NO.02 2014
浅议桥梁结构健康监测系统 篇4
“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
[1]袁万诚,崔飞,张启伟.桥梁健康监测与状态评估的现状与发展[J].同济大学学报,1999,27(2):93-95.
[2]Farrar C R,Worden K.An introduction to Structural Health mo-nitoring[J].Phil Trans R Soc A,2007,365(1851):73-75.
桥梁下部结构计算(要点总结) 篇5
1．1 梁、板式桥墩
第一种组合：按在桥墩各截面和基础底面可能产生最大竖向力的状况组合。此时汽车荷载应为两跨布载，集中荷载布在支座反力影响线最大处。若为不等跨桥墩，集中荷载应布置在大跨上支座反力影响线最大处，其他可变荷载作用方向应与大跨支座反力作用效果相同。它是用来验算墩身强度和基地最大压应力的。
第二种组合：按在桥墩各截面顺桥向上可能产生最大偏心距和最大弯矩的状况组合。此时应为单跨布载。若为不等跨桥墩，应大跨布载。其他可变作用方向应与汽车荷载反力作用效果相同。它是用来验算墩身强度、基底应力、偏心距和稳定性的。
第三种组合：当有冰压力或偶然作用中的船舶或漂流物是，按在桥墩各截面横桥向可能产生与上述作用效果一致的最大偏心距和最大弯矩的状况组合。此时顺桥向应按第一种组合处理，而横桥向可能是一列靠边布载（产生最大横向偏心距）；也可能是多列偏向或满布偏向（竖向力较大，而横向偏心较小）。它是用来验算横桥向上的墩身强度、基底应力、横向偏心距及稳定性的。
1．2 梁、板式桥台
第一种：汽车荷载仅布置在台后填土的破坏棱体上（此时根据通规，以车辆荷载形式布载）； 第二种：汽车荷载（以车道荷载形式布载）仅布置在桥跨结构上，集中荷载布在支座上； 第三种：汽车荷载（以车道荷载形式布载）同时布置在桥跨结构和破坏棱体上，此时集中荷载可布在支座上或台后填土的破坏棱体上。2．桩柱式墩台验算——盖梁计算
2．1 作用的特点及计算
作为梁式桥，上部荷载是以集中力的形式作用于盖梁上，所以作用的作用位置是固定的，而其作用力的大小，随着汽车横向布置不同而变化。汽车横向布置原则是依据盖梁验算截面产生最大内力的不利状况而确定。一般计算盖梁时汽车横向布置及横向分配系数计算可做如下考虑：
2.1.1 单柱式墩台盖梁
在计算盖梁支点负弯矩及各主梁位置截面的剪力时，汽车横桥向非对称布置（即按规范要求靠一侧布置），横向分配系数按偏心受压法计算。
2.1.2 双柱式墩台盖梁
在计算盖梁柱顶处负弯矩时，汽车横桥向采用非对称位置，横向分配系数采用偏心受压法计算；在计算盖梁跨中弯矩时，汽车横桥向采用对称布置，横向分配系数采用杠杆法计算。
2.1.3 多柱式墩台盖梁
汽车横桥向要按盖梁各控制截面内力影响线来布置，横向分配系数采用杠杆发计算，同时要注意由于多柱式墩台上部桥面比较宽，人行道亦相应较宽，边梁可能是在人行道下，所以应注意由于杠杆法计算横向分配系数偏小，而用非对称布置偏心受压法又对边梁计算偏大的问题。
2．2 盖梁计算时，主梁传下的活载均应考虑冲击系数。3．实体式高墩、钢筋砼柔性墩
对于墩高大于20m实体式高墩、钢筋砼柔性墩，在计算墩顶位移时，认为墩身相当于一个固定在基础或承台顶面的悬臂梁，不考虑上部结构对墩顶位移的约束作用。4．柔性墩计算要点
柔性墩桥是由桥台、柔性墩（有时含刚性墩）和梁组成的一联多孔或多联多孔的连续铰接（对简支梁）或连续刚接（对连续钢架）的超静定框架结构。
4．1 柔性墩的计算图式，简化的基本假设如下
4.1.1 柔性墩视为上端铰支、下端固定的超静定梁，下端固定位置按桩基础考虑地基土性质确定lp的要求办理。
4.1.2 引起墩顶位移的各种影响力分别进行力学分析计算，忽略这些力的相互作用影响，内力计算采用叠加原理。
4.1.3 计算制动力时，按联内各墩、台的抗推刚度（使墩（台）顶产生单位水平唯一时所需在墩（台）顶施加的水平力）分配 4．2 顺桥向墩顶水平位移计算
4.2.1 汽车制动力引起的墩顶位移 不考虑梁在水平力作用下的变形，则一联内各墩水平位移相同，由制动力引起的墩顶位移可近似按下式计算，即
1T1Ki，Δ1——汽车制动力作用下联内各墩（台）顶水平位移；T——作用联内的制动；Ki——联内各墩（台）的抗推刚度。
Kii
ilp3EI3，i——单位里作用在第i个柔性墩顶时产生的水平位移；
lp——第i个柔性墩的计算高度；EI——墩身刚度。
当桩在土中嵌固点较深需考虑桩侧土的弹性抗力是，可按桩基础计算δi。
4.2.2 温度变化时量的伸缩引起的墩顶位移
在架梁后，梁体会因为外界温度的升高与降低（相对架梁时温度）而伸长或缩短，从而使柔性墩顶产生水平位移。在计算墩的位移时，首先需要确定温度变化时位移零点的位置。
X0——位移零点至0号墩的距离； ni——墩的序号，i=0,1,2，……，n，n为总墩数减1； iKi0X0nLL——桥梁跨径。
Ki 0
如果用X1，X2，X3……标示各墩至位移零点的距离，则的各墩顶由温度变化引起的水平位移为：Δ2=αtXi Δ2——温度变化时梁的伸缩引起的墩顶水平位移；α——梁体砼的线性膨胀系数； t——计算最高（底）温度与架梁时温度的差值。
4.2.3 梁体砼收缩徐变产生的墩顶位移 梁体砼收缩徐变产生的墩顶位移，Δ3应分别按钢筋砼梁和预应力砼梁计算，计算方法见《桥梁墩台与基础》P72~P73。
4.2.4 架梁时残留的墩顶位移 施工架梁过程中，墩顶在架梁施工荷载作用下会发生部分水平位移，规范规定，通过每个柔性墩单独考虑可采用Δ4=0.3cm。
以上四种墩顶位移为公路桥梁一般应该考虑的项目，可结合实际取舍，确定墩顶发生的总水平位移Δ=Δ1+Δ2+Δ3+Δ4。
4．3 墩身内力计算
4.3.1 墩顶水平位移产生的内力计算
前述墩顶产生的总水平位移Δ的水平力T1lp3EI3·，y（墩顶至墩身某截面的距离）处截面弯矩为：My1=T1·y
4.3.2 顺桥向风力产生的内力计算 4.3.3 墩顶偏心弯矩产生的内力计算 4.3.4 墩顶轴向力产生的内力计算 4.3.5 墩身日照产生的温度内力 5．空心高墩的计算要点
一般较高的桥墩，墩身截面尺寸受偏心距和压应力值的控制，但当墩高超过30m时，墩身的稳定和墩顶位移量成为墩身截面需要考虑的控制条件。高墩一般都采用砼或钢筋砼空心结构。空心墩是空间板壳结构，受力与实体墩有所不同，设计中在检算强度、纵向弯曲稳定、墩顶水平位移等项目时，应考虑固端干扰力、局部稳定、温差等影响，还应考虑脉动风载引起的动力作用，即风振问题。5．1 固端干扰力
空心墩身与基础连接处，相当于固端得边界条件，对墩壁有约束作用，因而产生局部的纵向附加力和环向力，称为固端干扰力。该应力值较大，是空心高墩自有的受力特点所致，可用空间有限元法或壳体力学的方法计算。现一般都采用简化方法，即用悬臂梁计算的墩身截面内力乘以增大系数来进行强度检算和配筋。其系数分别为轴向力乘以1.25，弯矩乘以1.35。
5．2 空心墩的温差影响
桥梁结构健康 篇6
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。
参考文献
[1]Ko J M,Ni Y Q.Technology developments in structural health moni-toring of large-scale bridges.Engineering Structures,2005;(27):1715—1725
[2]乌晓光,徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势.长安大学学报(自然科学版),2003;23(1):39—42
[3]韩志宏.大型桥梁健康监测与监测系统设计研究内蒙古公路与运输2006;(2):41—43
[4]张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计同济大学学报2001;29(1):65—69
桥梁结构健康 篇7
江阴大桥GPS系统是整个桥梁健康监测系统中相对独立的一个子系统, 用以实时监测江阴大桥主梁和主塔的形变。GPS软件完成数据的采集、存贮、转换、显示和统计, 实现系统坐标转换, 以及桥梁监测形变数据的实时动态显示、存储、统计分析和报警。并能够实现三维动态显示结构整体的变形情况。
1 GPS系统工作原理
GPS的含义是:利用导航卫星进行测时测距, 从而构成全球定位系统。GPS系统是由美国军方于20世纪80年代末建成的, 它由分布在6个轨道面内的24颗卫星 (含3颗备用卫星) 组成。由于该系统具有全天候、自动定位, 全球覆盖, 定位精度较高, 定位速度快等一系列优点, 因此迅速被世界各国广泛采用。GPS定位分为单点绝对定位、差分相对定位两大类。
单点绝对定位指单用一台GPS定位仪独立确定测点三维坐标的方法, 由于卫星钟差, 定位仪钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响, 测量精度只能达到数十米。
实时动态测量又称载波相位差分 (RTK) 技术, 由于它的测量精度高, 时间短 (只需同时观测1秒或几秒钟) , 所以在快速动态测量中得到广泛的应用。
2 GPS监测方案与监测点布置
2.1 监测方案
对于大跨结构的线形 (竖向、横向、纵向的位移) 监测, 目前常用的方法是光电测距 (EDM) 和GPS两种方法。
光电测距方法主要是指采用全站仪对反射棱镜连续扫描, 形成光载波通信系统, 通过测量每个棱镜与全站仪的相对角度和距离, 再经过系统计算, 确定梁的外型和移动情况 (江阴大桥原结构监测系统就采用该方法) 。
因此系统测量的频率受到测点的数量限制, 并且测试精度受环境气象因素的影响很大 (如雾、雨、雪等天气) 尤其是对于像江阴大桥这样的大跨度桥梁, 其测量的精度难以保证。
采用GPS技术进行主梁线形的监测可以避免以上问题。因为卫星通信点与点之间不受通视条件、距离和高差的限制, 从目前的仪器和软件性能看, GPS采用实时差分进行动态测量的定位精度可达毫米级, 经过系统集成和二次开发, 完全可以用于大型工程结构的微量测量。江阴大桥GPS系统是整个桥梁健康监测系统中相对独立的一个子系统, 用以实时监测江阴大桥主梁和主塔的形变。
2.2 监测点的布置
江阴大桥的整体位移由全球定位系统 (GPS) 监测, 1个GPS基准站和8个流动站构成, 通过星型光纤网连接。系统采用有9台徕卡GX130型RTKGPS接收机。
仪器采样频率20Hz, 位置延迟小于30ms。这种性能指标已经可以满足大桥形变频谱分析的需要。
GPS监测结果通过光纤通讯网及时传输到设在大桥监控中心的GPS数据处理工作站, 借助于信号处理、数据统计及评价系统等分析软件, 可以对GPS坐标数据进行转换, 形成GPS测点的动态坐标, 并构建大桥的动态变形图形。
全球定位系统 (GPS) 的具体布局如图所示。其中GPS基准站设在监控中心大楼楼顶, 8个流动站分别设在南北塔塔顶 (各1个) 、主梁跨中、1/4跨和3/4跨等关键截面处 (每截面各2个, 根据桥轴线对称布设) 。
全球定位系统 (GPS) 的采样频率可在1~20Hz范围内选择。
3 GPS监测数据的特点与传输
3.1 GPS监测数据的特点
1) 由于GPS观测值是通过对卫星及基准站传来的差分信号进行RTK差分定位, 所以各观测值结果是相对独立的。
2) GPS定位速度快、精度高。可以达到每秒10到20次的定位解算结果, 实现实时监测。
3) 受外界影响较小, 可以在恶劣天气下实现不间断观测, 其精度取决于GPS本身的精度。
4) 自动化程度高, 可以在无人值守的情况下, 配合数据备份系统和功能软件自动进行数据接受和后期的分析。
3.2 GPS数据的传输
GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤局域网。由于光纤不受电磁波干扰, 在雷雨大风、高温等恶劣环境下能提供高可靠性的数据传输。
光纤网络在北塔内部有一台HUB, 利用多模光缆双绞线与服务器和外站联系。
主要设备包括一台Digital Vnswtich900 LL网络转换器和一台DEC CLUBONE900供电单元, 安装在一个支架外壳内, 配有一台UPS, 都安置在北塔内。
采用端口供电的Digital DEFLM-AA光纤收发机来实现从AUI转换到光纤。线速度转换容量为1.2Gb/s, 包括12组10base FL10mb/enthernet光纤端口, 因此, 后期视情况可以很方便的对结构监测系统进行扩充。
4 GPS信息的处理
从GPS定点测量仪输出的坐标数据, 以10次/秒的采样速率通过光纤网络传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于江阴大桥监控中心, 由数据监测和数据分析两台工作站组成, GPS功能软件由这两台工作站分担。
其工作主界面如图2、图3所示。其中数据监测工作站运行Spider软件, 进行GPS系统设置以及数据的采集、存贮;数据分析工作站运行GPS后处理软件, 主要实现GPS坐标和桥梁坐标的数据转换, 以及桥梁监测形变数据的显示、存储和统计功能。
4.1 数据监测工作站功能
1) 查询并显示各个外站的工作、供电、温度控制状况;
2) 允许用户选择外站和通道, 连续获、显示和存储取原始数据;
3) 根据预先设定的阈值监视各个通道数据, 并做出决策;
4) 生成日报表和异常状态报表。用作信息和图像处理。
Spider软件:
GPSSpiderv2.0软件是集成的单参考站或台站网中央控制和操作软件包, 可用于先进的长距离高精度网络RTK (Spider NET) 、建筑物监测、中央数据分发、数据存取管理, 并支持数据装载和服务的专业软件。该软件可实现基准站和监测站GPS接收机的开启和关闭、实时相位差分解算、实时显示监测站WGS84三维差分信息与记录基准站和监测站GPS接收机的原始测量数据等功能。
4.2 数据分析工作站功能
分析工作站上安装有Matlab软件, 用于对监测数据进行深入分析。分析工作站可以获取任意外站、通道的数据, 并可以转换成多种格式存储, 允许远程授权用户以FTP方式下载数据。
主要功能如下:
1) 通讯功能, 可以访问任意外站、光纤应变测试系统、GPS测试系统, 获取实时或存盘数据。
2) 显示所得到的数据, 并转换成Matlab格式进行存储。
3) 在线进行统计分析 (均值、方差、趋势消除、直方图) 、滤波、FFT、互功率谱分析。
4) 针对某个通道连续处理并显示指定带宽信号的均值、方差、直方图, 若指定的是某阶模态频率为中心的窄带信号, 则所显示的就是该阶模态信号的时间历程。
4.2.1 BM软件
后处理BM显示软件可实现将大地84坐标转换为桥梁坐标、实时显示监测点位的变动曲线、点位变化历史曲线、建立监测结果数据库、超限报警功能和直观动态显示各测点的三维坐标曲线等功能。
4.2.2 监测数据处理
监测数据的数据处理包括:
1) 数据的预处理, 主要对监测数据进行简单统计运算, 比如给定时间段内的最大最小值、均值等;
2) 数据的二次处理, 对监测数据进行读入、编辑、分析计算和绘图, 包括数据的幅域显示、数据的时域显示、数据的频域显示以及频度计数等。
5 GPS系统的作用
GPS系统为桥梁健康监测系统的一个重要子系统, 其主要作用为通过测量桥梁的桥身和桥塔的瞬间位移, 计算出截面中线相应的导量位移, 再通过与其它的传感器的数据综合, 来评估桥梁各主要构件的应力状况。根据采集的数据及与监测数据的验证可反演出大桥的结构工作状态和健康状况, 进而识别出可能的结构损伤的程度及其部位, 从而给出大桥的安全可靠性评估。
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, 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的变化判断结构是否有损坏。
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) 基于实测的GPS测点坐标和风速数据, 采用线性回归方法建立横向位移与风速的相关性模型。验证桥梁的实际风场特性等施工假设和参数的有效性。
5) 基于实测的风数据, 分析桥址的风场特性, 包括平均风特性和脉动风特性等。从而对风场特性分析及设计验证。
6) 基于实测的梁端位移和温度, 采用线性回归方法建立两者的相关性模型, 并验证主梁的热膨胀系数等。
7) 基于实测的GPS测点坐标和加速度数据, 采用峰值法识别模态频率, 并与成桥试验时的实测模态频率进行比较。
6 结论
近年来, 随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化, 大型桥梁结构安全健康监测已成为国内外工程界和学术界关注的热点。
本文以江阴大桥为对象, 通过对GPS信号的实时分析与处理, 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, 实现对大桥结构健康状态的在线监测。并根据采集的数据与信号反演出大桥的结构工作状态和健康状况, 识别出可能的结构损伤的程度及其部位, 进而给出大桥的安全可靠性评估。
摘要：桥梁在外力作用下会发生诸如扭曲、挠度、位移变形等形变, 而这些形变与桥梁的承载能力和健康状况有着密切的关系。采用GPS技术进行桥梁线型的监测, 其工作效率大大高于同精度的几何水准测量, 现已在包括江阴大桥在内的国内外许多桥梁监控中得到了广泛应用。通过与风速仪、索力、加速度传感器等的数据相互验证, 能够对相关性模型和各类系数进行校正。
桥梁结构健康 篇8
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
参考文献
[1]刘正光,黄启远.桥梁结构健康监测系统[C].第十三届全国桥梁学术会议论文集,1998:53-63.
[2]Wong K Y,Lau C K,and Flint A R.Planning and Implementation of the Structural Health Monitoring System for Cable-Supported Bridges in Hong Kong[C].Proceedings of SPIE Conference on Non-destructive Evaluation of Highways,Utilities and Pipelines IV(pp.266-275),at Newport Beach,California,U.S.A.,during7-9,2000.
我国桥梁结构分析 篇9
我国自古就是“桥乡”，著名的赵州桥是世界上现存最早、保存最完整的巨大石拱桥。自新中国成立以来，经过60多年的发展，我国桥梁建设取得了突飞猛进的进步，桥型桥式千姿百态、异彩纷呈，梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥的设计和施工水平都迈入了国际先进水平行列。
2 我国桥梁结构
2.1 板式桥
板式桥一般可采用钢筋混凝土和预应力混凝土结构，可做成实心和空心，就地现浇为适应各种形状的弯、坡、斜桥。因它构造简单、受力明确，所以是公路桥梁中量大、面广的常用桥型[1]。
十字结构的板式桥是非常罕见的，山西太原市晋祠内就有一座十字结构板式桥。全桥有34根铁青八角石支撑，柱顶有柏木斗拱与纵、横梁连接，上铺十字桥面。其中9根并排着的铁链上面铺有木板，就是桥面，另外各2根在桥面两侧，就是扶手。桥面由7条大石板铺成，桥头有六角五层砖构宋塔1座，为中国古代最大的梁式石桥，有“天下无桥长此桥”之誉(见图1)。
2.2 梁式桥
梁式桥种类较多，它是公路桥梁中最常用的桥型，其跨越能力在20 m～300 m之间。常用的梁式桥形式有:
按结构体系分为:简支梁、悬臂梁、连续梁、T形刚构、连续刚构等。
按截面形式分为:T形梁、箱形梁(或槽形梁)、桁架梁等。
梁式桥跨径大小是技术水平的重要指标，一定程度上反映一个国家的工业、交通、桥梁设计和施工各方面的成就[1]。
广济桥位于广东潮州东门外，它集梁桥、拱桥、浮桥等形式于一体(见图2)。
2.3 钢筋混凝土立拱桥
大跨径拱桥多采用钢筋混凝土箱拱、劲性骨架拱和钢管混凝土拱。钢筋混凝土拱桥自重较大，跨越能力虽比不上钢拱桥，但因钢筋混凝土拱桥造价低、养护工作量小和抗风性能好等优点，在我国被广泛的采用。
钢筋混凝土箱拱:桁架拱桥和刚架拱桥。它具有刚度大、材料省等优点。中国第一座大跨径的箱形拱桥是1972年建成的四川省攀枝花市跨越金沙江的6号桥。该桥主跨146 m，全长327 m。拱箱系单箱3室，在钢拱架上进行浇筑施工。
我国钢筋混凝土拱桥的发展趋势是“拱圈轻型化，长大化以及施工方法多样化”。但大跨径拱桥施工阶段及使用阶段的横向稳定性是较差的，据统计国内、外拱桥垮塌事故，多发生在施工阶段[1]。因此，我们必须加大研究力度，尽量减少此类事故的发生。
2.4 斜拉桥
斜拉桥是现代桥梁的标志性桥梁，它是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥，比梁式桥有更大的跨越能力，更美观更轻型。据统计，我国已建和在建的跨度大于400 m的斜拉桥有34座。它是由索塔、主梁、斜拉索组成(见图3)，索塔形式有A形、倒Y形、H形、独柱，建造材料有钢和混凝土。斜拉索布置有单索面、平行双索面和斜索面等。它是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩多跨弹性支承连续梁。可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料[1]。
2.5 悬索桥
悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一，相对于其他桥梁结构悬索桥可以使用比较少的材料来跨越比较长的距离。悬索桥可以造得比较高，没有必要在桥中心建立暂时的桥墩，且容许船在下面通过，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。悬索桥造型优美和规模宏大，被人们称为“桥梁皇后”(见图4)。它是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般来说接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。
3 结语
经过多年的发展，我国桥梁建设在桥梁的基础、桥梁的跨度、桥型桥式、施工方法等方面已经赶超世界先进水平。据有关专家称:未来的桥梁发展趋势是向着“更长、更大、更柔”的方向发展，更加重视桥梁美学及环境保护。目前，世界上已经出现草桥、塑料桥、玻璃桥、充气桥、智能结构桥等。
摘要：针对国内板式桥、梁式桥、斜拉桥、悬索桥等多种桥梁结构进行了介绍,分别阐述了各种桥梁结构的特点、优点及结构组成,指出未来桥梁发展趋势是“更长、更大、更柔”,并更加注重桥梁美学及环境保护。
关键词：桥梁结构,板式桥,悬索桥,斜拉桥
参考文献
[1]帅启兵.我国公路桥梁的发展趋势[EB/OL].互联网,2007-07-16.
桥梁结构的系统研究 篇10
上个世纪四十年代, 一般系统论的新思维由贝塔郎菲提出, 然后维纳与申农又提出控制论与信息论, 至此改变了人们对事物整体与部分关系的看法, 完成了机械整体性向系统整体性的发展。在六七十年代, 系统科学出现了普里高津的耗散结构论、哈肯的协同论、艾根的超循环论以有托姆的突变论, 其主要针对系统的存在、发展与消亡过程进行探讨, 强调所有的净化系统均可以自行组织, 而且不同要素之间具有协调作用。从七十年代以来, 越来越多的人开始关注系统的核民问题, 即研究系统机制, 此时混沌理论、分形理论以及孤波理论等解释系统机制的相关理论构成了系统动力学理论, 其主要是对系统的非线性机制进行考察。从某种意义而言, 凡物皆系统, 对任何系统的考察均要分析其要素、结构以及功能与环境等各个方面。系统的主要特性体现在以下几个方面:加和性与非加和性、整体不等于部分之和、要素与结构以及环境决定了系统的整体功能、系统功能由结构来决定等。只有开放的系统才能产生新的结构, 这是由于系统处于非平衡态, 只有外加能量或者信息才能维持。系统远离平衡态失稳以至形成新的结构要依赖于非线性的反常涨落。涨落在远离平衡时起驱动作用, 不可逆性会导致新的结构, 产生新的质。如今在很多领域均已开始应用系统论, 此处我们就基于系统研究的思想对桥梁结构的相关新领域进行系统的理解, 进而在桥梁系统的研究领域引入系统机制理论。
2 桥架结构系统
桥梁结构比较复杂, 由各种结构以及很多不同的材料组合而成, 图1是对桥梁结构进行的简单介绍。
桥梁结构系统, 是整个桥梁工程中的一个很重要的子系统, 而桥梁结构系统又是由多个子系统组合而成的, 系统是由基本构件组合形成的, 这其中也包括很多的要素、功能、结构以及环境等多个方面的内容。应该注意的是, 桥梁结构系统并不是简单地等同于各个部门的总和, 而是由各个系统优化组合而形成的一个整体, 比如, 单个梁构件组合在一起不能帮助桥梁实现跨越峡谷的目标, 但是经过一系列的特定的构造, 将多个构建结合在一起, 则可以形成斜拉桥或者是悬索桥, 即可完成桥梁的跨越功能。从某种程度而言, 构件单元、结构体系、环境状况等决定了结构系统的整体功能, 而其中系统的结构体系又起到决定性作用。一般跨海大桥的桥型选择会优先考虑大跨斜拉桥以及悬索桥等;如果抗震性能要求比较高, 则要选择诸如连续刚构以及斜拉桥等抗震性能比较优良的结构系统;或者是可以对连续梁实现结构的改造, 从而可以起到好的抗震作用。
耗散结构理论认为, 在非平衡区内, 由于远离平衡状态, 因此无法确定出基于非线性非平衡作用的系统演化方向, 而在这种情况下, 系统可能会发生平衡性的突变或者是分叉等现象, 这样会使得整个的系统出现新的稳定性状态, 而这属于非平衡性的结构, 因此, 想要提高系统的稳定性就要接受环境注入系统中的负熵流。该理论也可以应用到桥梁结构中的非线性行为, 由于系统的突变导致的桥梁失稳现象, 会使得桥梁系统出现地震荷载的作用, 其延性抗震性能也体现出了这一特点。
3 桥架结构的系统研究思路
3.1 系统识别与健康监测
系统识别是指是指利用计算机技术以及相关的试验手段对系统结构进行建模。桥梁结构处于特定的环境中, 会遵循一定的输入对应一定输出的规律, 分析系统的输入与输出, 即可对结构系统加以判断与识别。首先是要建立一个由桥梁整体进行监测的难点, 因为, 在桥梁的使用年限内, 由于种种方面的限制, 不能对桥梁的系统进行全面的深入研究, 因此, 就无法建立统一的、客观的、桥梁状态的评估标准, 因此, 为了保证整个桥梁技术的开发成功, 从而实现系统的目标, 就要将系统的各个要素、功能以及结构结合起来。对桥梁结构系统的健康监测与评估要注意以下几点:
第一, 系统输出:开发实现基于无线通讯技术的数据采集系统, 设计出可以适用于交通荷载、风荷载以及定点测试荷载的传感器最优布设技术。第二, 反向分析系统的输入与输出:根据动态边界子结构原理, 开发出结构损伤设别系统, 其以结构模型修正法为基础, 深入研究非线性结构模型的时域评估方法与系统识别技术;探索新指纹技术, 提高其在桥梁监测方面的实用性;设计桥梁的监测数据系统、桥梁观察系统以及相关的决策专家系统;同时还要采用良态的建模技术对模型修正作出改正。第三, 应用系统分析终端:将观察以及监测的结果相结合从而对桥梁的承载能力进行分析;设计桥梁的安全准则;建立估价模型, 对桥梁整个寿命过程进行经济性评价。
3.2 系统控制
古典控制理论于20世纪20年代起开始出现, 其主要研究对象是单变量线性定常系统, 采用频率法研究系统动态特性的控制方法。自五十年代, 现代控制理论如多变量系统、动态系统测试状态空间方法以及系统灵敏度分析等多种方法开始相继的出现。控制理论的研究主要借助动力学系统, 桥梁结构在受到动力的荷载时会表现出一定的不确定性以及随机性, 这使得很多的专家学者开始专注这种非线性的行为。尤其是在桥梁的抗震领域, 关于其传统的抗震设计也向着控制理论的方向发展。结构控制方法主要有三种:主动控制、被动控制与混合控制, 主动控制是主动施加外部能将将环境输入能量抵消或者消耗掉, 从而新的注入能量流会作用于系统, 使其在偏高平衡状态下找到平衡;被动控制是利用将支座以及阻尼器等系统, 将输入的外部环境的能量消耗掉;混合控制是主动控制与被动控制二者的结合。
其实十九世纪末就出现了最早的隔震器, 如今应用于系统被动控制的有叠层橡胶、旋转弹簧等多种支座与弹塑性、粘性、干摩擦等阻尼器。滑动隔震体系统的出现将传递至结构系统的输入能量控制在最小的范围内, 其采用了位移控制装置与滑动支座相结合的方法。目前有些诸如AMD等主动控制技术已经进入实用阶段。主动控制不仅可以有效的抵抗外部激励, 而且可以减小输入结构的激励水平。目前对系统进行主动控制的技术包括主动连杆控制技术以及主动调质阻尼器系统技术。而目前的混合控制系统主要包括对振动控制系统、混合基础隔震系统以及可变阻尼系统等。当然, 现阶段这类技术还相对不够成熟, 但是后续其不仅会广泛应用于桥梁抗震抗风领域, 而且在建筑领域其应用前景也十分广阔。
3.3 系统非线性机理
传统自然科学更加偏重稳定、单一以及有序、均衡, 这种传统的科学表现出了鲜明的线性特征。直到20世纪70年代左右, 自然科学才逐渐的向着失稳、多重性以及无序、非均衡的方向转变。非线性是一切复杂现象的本源, 因此自然科学的主要研究对象也开始向非线性系统发展。上世纪七十年代由费根包姆提出的混沌理论有效的促进了系统科学中非线性理论的应用, 混沌理论、分形论以及孤波理论等共同构成了系统动力学理论, 对系统的非线性机制进行深入探讨。桥梁结构系统也属于混沌系统的范畴, 其体现出不可分解、不可预测以及存在规律性等特征, 并且该混沌系统具有分形性质, 即自相似性。
3.3.1 分形与分维分形指系统通过某种方式组成与整体相类似的形, 分形的实质是一类规则, 复杂、混乱, 但是局部又与整体相类似的体系。数学家按照特定的规则构造出规则分形集合, 其具有严格的自相似性。图2为柯曲折线结构, 其体现出严格的自相似性。
在自然界中, 海岸线、云层边缘、地球表面以及断口表面与液体湍流等均属于分形系统, 其并没有一个严格意义上的分形, 其自相似性也只是统计意义上的近似。通常在某些特定的尺度范围, 分形自然体局部与整体的某种相似性才会成立, 称这些特定的尺度范围为无标度区, 而在无标度范围内具有自相似性的分形称其为随机分形;客体在结构、信息以及功能、时间上具有自相似性则称其为广议分形。
在研究实际问题过程中, 保需对某个事物是否存在无标度区进行检验, 即可确定该事物是否具有局部或者整体的相似性。把事物按照尺度r分为N个相似部分, 针对变化的r绘出igr-lgN曲线, 再对该曲线进行检验, 确认其是否有明显的直线段, 如果有, 则其所对应的区域即为无标度区域。该方法是依自相似集的相似维数是不依赖于尺度r的一个常数为理论依据。分维是定量参数, 其是对分形特征的描述。由于其描绘的具体对象不同, 相应的分维计算的形式也各有不同, 比如相似维数、容量维数、信息维数、关联维数以及集团分维与质量分维等形式。在地震学领域, 大量研究均是针对地震的时、空、强度分维及其多分维展开的。普遍认为地震为多重分形, 在地震前后, 分维值会发生变化, 这种变化为研究地震前兆的复杂性提供了有效的分析工具。针对桥梁的抗震设计, 地震输入与结构反应特征与结构破坏有直接的关系。分析弹性反应谱的三联谱可以看出, 不管是岩石场地弹性反应谱还是结构的弹性反应谱, 均体现出明显的分形特征。
3.3.2 桥梁的抗震与分形特征分形不仅在自然科学以及社会科学等诸多领域中存在, 其在桥梁抗震领域同样存在。首先, 地震动为结构的输入荷载, 其能量就体现出一定的分形特征, 并且能量分维还有可能作用地震预报的新参数。其次, 地震动反应谱是地震动特性联系结构动力反应的纽带, 其属于统计意义的分形结构, 结构反应的分形特征也是由其来决定的, 尤其是以周期为标度, 结构反应与反应谱的无标度区应该一致。如图3所示。
第三, 研究礅柱的破坏准则过程中可以发现, 在划分桥梁域的不同破坏程度时, 可以将变形能量双重破坏准则的破坏指数当做合理的指标, 以墩柱体积的配箍率或者输入地震动的峰值为标度, 破坏指数体现出近似分维的特征。在对桥梁结构出现的地震反应进行分析时, 以往复杂的结构有限元模式可以由建立代分析模型的方法取而代之。在桥例计算与理论分析后可以发现, 以刚度为标度, 结构周期、墩底弯矩以及墩顶位移反应均存在无标度区;而以周期为标度, 则墩底弯矩与墩顶位移反应其分形特征也十分明显, 与反应谱体现出的分形特征相同。
结合两个实际的桥例建立有限元模型, 并将结构动力反应受边跨主跨跨径比、梁墩刚度、局部构件以及支座单元等因素的影响考虑进来。对实际桥例进行分析可以看出, 如果标度不同, 不管是跨度比、梁墩刚度比还是支座的刚度等, 其动力反应均会体现出与多重分形近似的特征, 由此可见, 分维值可以将动力反应对不同标度的敏感程度直观的反映出来。
在桥梁结构动力分析领域应用分形与分维的概念, 关键是要对桥梁结构动力特性是否体现出分形特征进行研究。斜拉桥的纵飘基频对于跨径尺度, 主塔侧弯基频对于塔高, 体系坚弯基频对于跨径, 侧弯基频对于跨宽比以及扭转基频对于跨径都具有统计意义上的分形特征。悬索桥竖弯基频、侧弯基频及扭转基频对于跨径或主缆垂度, 具有统计分形特征, 利用分数维, 可以得到比常用估算公式更为接近实桥值的基频简化计算公式。以桥长为标度, 小跨径桥梁的基本侧向周期分维为1.20。桥梁结构系统涉及参数多, 统一的规律多存在于定性阶段。分维的概念使得对于性质的认识可以定量描述, 正如在许多领域, 分维对非线性、无规则现象的描述那样。显然, 这还需要大量的工作和艰辛的努力。由上述分析可以看出, 混沌系统体现出一定的规律性, 而分形理论的主要内容就是对这种规律加以描述。其实, 不只是桥梁抗震领域存在分形规律, 在整个桥梁大系统乃至更大的土木工程领域均广泛存在。
4 结论
通过上述分析可以得出如下结论:首先, 桥梁结构这种动力学系统体现出要素与结构复杂性的特点, 其具备生存环境与结构功能;其次, 桥梁结构系统识别与健康监测的重点为结构, 其为整个系统的核心部分, 尤其是结构的指纹分析;再次, 通过主动施加外部能量来实现对系统的控制是结构控制的主要发展方向;桥梁结构系统具有分形特征, 分维值对结构非线性的描述是一个有效的工具。
摘要：本文基于系统研究的角度来理解桥梁结构的新领域。桥梁结构属于一个动力学系统, 其具备生存环境与结构功能, 其组成要素与结构十分复杂。在桥梁结构系统识别与健康监测领域应用系统研究的思路, 其对系统的控制是通过主动施加外部能量实现的。桥梁结构系统体现出一定的分形特征, 而分维值是描述结构非线性的有效工具之一。
关键词：系统,桥梁,分形
参考文献
[1]张启伟, 袁万城, 范立础.大型桥梁结构安全监测的研究现状与发展[J].同济大学学报, 1997 (增刊) .
[2]袁万城, 崔飞, 张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J].同济大学学报, 1999 (, 2) .
[3]段广仁.线性系统理论[M].哈尔滨工业大学出版社, 1996.
[4]范立础编著.桥梁抗震[M].同济大学出版社, 1997.