分層式橋梁健康管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

分層式橋梁健康管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用近來我國橋梁結(jié)構(gòu)事故頻繁發(fā)生，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，已經(jīng)引起人們對于橋梁結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)懷和重視，當(dāng)橋梁發(fā)生突發(fā)性損傷時，假如能夠準(zhǔn)時做出推斷并發(fā)出預(yù)警，準(zhǔn)時實行應(yīng)急處理措施，可以防止損傷進(jìn)一步進(jìn)展和引發(fā)其它事故；對于長期服役的橋梁結(jié)構(gòu)，如能定期對其累積損傷的程度做出正確評估，就可以充分把握其工作狀態(tài)，確保橋梁安全。在此工程背景下，橋梁健康監(jiān)測應(yīng)運(yùn)而生，并成為土木工程學(xué)科進(jìn)展的一個重要領(lǐng)域。

橋梁健康監(jiān)測是通過對橋梁的物理力學(xué)性能進(jìn)行實時監(jiān)控，對損傷的位置和程度進(jìn)行診斷，對橋梁的服役狀況、牢靠性、耐久性和承載力量進(jìn)行智能評估，在突發(fā)大事或橋梁使用狀況嚴(yán)峻特別時發(fā)出預(yù)警信號并為橋梁修理、養(yǎng)護(hù)與管理決策供應(yīng)依據(jù)和指導(dǎo)[1-3]。健康監(jiān)測技術(shù)是一個多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到土木工程、動力學(xué)、材料學(xué)、傳感器技術(shù)、測試技術(shù)、信號分析、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)、模式識別等多個討論方向。

真正意義上的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備對損傷的實時自動識別功能，由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，目前還沒有一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁監(jiān)測的自動損傷識別，與監(jiān)測系統(tǒng)相比，檢測系統(tǒng)相對要簡單的多。隨著橋梁檢測技術(shù)的進(jìn)展，世界上發(fā)達(dá)國家更依靠于橋梁的無損檢測技術(shù)對橋梁進(jìn)行工作狀況評估、健康管理和維護(hù)策略的制定等，融合監(jiān)測與檢測技術(shù)而形成的綜合健康管理系統(tǒng)是真正能夠在實際工程中應(yīng)用的橋梁健康管理系統(tǒng)。

1、橋梁實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及不足

1.1實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測的完整平臺，它包括傳感器系統(tǒng)、信息采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析與顯示系統(tǒng)、損傷識別算法與程序、健康檔案與專家系統(tǒng)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺等。通過健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行，可以實時監(jiān)控橋梁的整體行為，對消失的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對橋梁的服役狀況、牢靠性、耐久性和承載力量進(jìn)行智能評估，為橋梁在突發(fā)大事（如強(qiáng)震、撞擊等）下或使用狀況嚴(yán)峻特別時觸發(fā)預(yù)警信號并為橋梁的修理、養(yǎng)護(hù)與管理決策供應(yīng)依據(jù)。

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個功能子系統(tǒng)組成并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作[5]。這四個子系統(tǒng)是：

1.傳感器系統(tǒng)：包括加速度計、風(fēng)速風(fēng)向儀、位移計、溫度計、應(yīng)變計、信號放大處理器及連接介面等，并將待測物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?/p>

2.信息采集與處理系統(tǒng)：包括信號采集器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等。安裝于被測結(jié)構(gòu)中,采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理；

3.信息通信與傳輸系統(tǒng)：包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺、安全監(jiān)測局域網(wǎng)、與因特網(wǎng)的連接等。將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；

4.信息分析和監(jiān)控系統(tǒng)：包括高性能計算機(jī)及分析軟件。利用具備損傷診斷功能的軟硬件分析接收到的數(shù)據(jù)，推斷損傷的發(fā)生、位置和程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出狀態(tài)評估，若發(fā)覺特別，發(fā)出報警信息。

1.2實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的不足

目前的討論認(rèn)為：健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計須遵循功能要求和效益－成本分析兩大準(zhǔn)則[4]。其設(shè)計時首先應(yīng)考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能，對于特定的結(jié)構(gòu)，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設(shè)計驗證，也可以是討論。監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模以及所采納的傳感儀器和通信設(shè)備等需考慮投資的限度。

真正意義上的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備對損傷的實時自動識別功能，由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，目前還沒有一種方法在實際工程中實現(xiàn)了橋梁監(jiān)測的自動損傷識別，盡管有些橋梁監(jiān)測的損傷識別技術(shù)在理論上和人為的抱負(fù)試驗環(huán)境下是可實現(xiàn)的，當(dāng)放到簡單的大型橋梁結(jié)構(gòu)中和隨機(jī)的橋梁工作環(huán)境中時，幾乎沒有任何一種方法可行。要么受傳感器精度和靈敏度的限制，要么受太多隨機(jī)因素（風(fēng)、地震和車流等）的制約，而把繁復(fù)的分析手段程式化也困難重重。與監(jiān)測系統(tǒng)相比，檢測系統(tǒng)要簡單的多，隨著橋梁檢測技術(shù)的進(jìn)展，世界上發(fā)達(dá)國家更依靠于橋梁的無損檢測技術(shù)對橋梁進(jìn)行工作狀況評估、健康管理和維護(hù)策略的制定等。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)造價昂貴，而檢測系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)省。另外，橋梁健康檔案的建立還得依靠直接檢測到的橋梁損傷數(shù)據(jù)來建立，因此融合監(jiān)測與檢測技術(shù)而形成的綜合健康管理系統(tǒng)是真正能夠應(yīng)用的橋梁健康管理系統(tǒng)。

2、分層式橋梁綜合健康管理系統(tǒng)

2.1橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的提出

一座橋梁在其設(shè)計壽命期間的運(yùn)行安全問題和如何降低運(yùn)營成本、削減維護(hù)費(fèi)用始終是橋梁界非常關(guān)懷的問題。橋梁綜合健康管理系統(tǒng)正是解決了這個難題，它是集橋梁檢測、橋梁實時監(jiān)測、橋梁的專業(yè)維護(hù)于一身的健康管理系統(tǒng)。在橋梁的健康管理中檢測和監(jiān)測是不能相互替代的,橋梁監(jiān)測和檢測都是以橋梁安全為終極目的，二者具有互補(bǔ)性，其特點(diǎn)可歸納如下：

1）橋梁監(jiān)測是通過傳感器測量和實時信號分析的手段間接地發(fā)覺特別及損傷，而檢測技術(shù)是通過各種專用儀器直接發(fā)覺及定位橋梁特別和損傷；

2）橋梁監(jiān)測對橋梁進(jìn)行長期觀測，而檢測則是定期的和有針對性的對橋梁進(jìn)行測量；

3）橋梁監(jiān)測的內(nèi)容通常是橋梁的物理特性指標(biāo)（振動、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、撓度，溫度、風(fēng)等），而檢測的內(nèi)容則是直接的損傷指標(biāo)（裂紋長度、深度、銹蝕深度等）；

4）橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)時反應(yīng)橋梁工作特別，而檢測不能準(zhǔn)時發(fā)覺橋梁受到的突然損傷；

5）橋梁監(jiān)測系統(tǒng)通常不能精確?????的推斷損傷類型、位置及程度，而有針對性的檢測則能較精確?????地得出橋梁的損傷類型、位置及程度；

6）監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測全橋的特別反應(yīng)，而檢測（尤其是大型橋梁）有時會忽視有些隱藏?fù)p傷導(dǎo)致的特別；

7）監(jiān)測系統(tǒng)測出的特別大事可以作為針對性檢測的指針，而檢測得出的損傷數(shù)據(jù)又可以作為橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的參考；

8）橋梁綜合健康管理系統(tǒng)同時采納結(jié)構(gòu)監(jiān)測和檢測技術(shù)，即在系統(tǒng)中同時應(yīng)用監(jiān)測及檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷判別。

2.2橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的構(gòu)成

分層式綜合健康管理系統(tǒng)由信息獵取層、分析記錄層和決策層構(gòu)成（圖1），其顯著特點(diǎn)是信息獵取的多樣性，運(yùn)營過程中的信息獵取由實時動態(tài)監(jiān)測、適時監(jiān)測、針對性檢測、施工過程中的監(jiān)測和常規(guī)檢測來完成。

圖1分層式綜合健康管理系統(tǒng)圖實時動態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)的功能是實時地監(jiān)測橋梁各結(jié)構(gòu)件的工作狀態(tài)，準(zhǔn)時地發(fā)覺損傷和微損傷，當(dāng)損傷和微損傷積累達(dá)到對橋梁的運(yùn)行安全產(chǎn)生危害時將發(fā)出藍(lán)色警報。實時監(jiān)測系統(tǒng)在大型橋梁健康管理系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)層的核心部分，它直接對橋梁安全負(fù)責(zé)，為橋梁檢測供應(yīng)準(zhǔn)時的指導(dǎo)性看法，讓損傷在初期便得到準(zhǔn)時的處理，讓橋梁保持健康的工作狀態(tài)。

適時監(jiān)測系統(tǒng)適時監(jiān)測系統(tǒng)包括兩部分，一是報警后監(jiān)測，二是定期監(jiān)測。當(dāng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到的結(jié)構(gòu)整體性能參數(shù)或局部性能參數(shù)產(chǎn)生特別變化后，系統(tǒng)發(fā)出藍(lán)色警報，然后則需要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行適時監(jiān)測。為最大程度的保障結(jié)構(gòu)安全，還需要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期監(jiān)測。

施工過程中的監(jiān)測由于現(xiàn)場條件、環(huán)境因素、施工誤差等不行預(yù)知的因素，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形在施工過程中是一個累積的過程，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)不行能與設(shè)計完全全都，采納設(shè)計的成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的初始狀態(tài)是不合理的，而這些殘余應(yīng)力與殘余變形是不行能通過成橋后的竣工試驗等方法精確?????把握的，必需在施工過程中即開頭監(jiān)測前述項目，積累施工過程數(shù)據(jù)，這樣才能精確?????把握橋梁運(yùn)營健康監(jiān)測系統(tǒng)的初始指紋，更好的運(yùn)行橋梁運(yùn)營健康監(jiān)測系統(tǒng)。

同時在施工過程中上述健康監(jiān)測項目的分析計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以和施工監(jiān)控單位的結(jié)果相互校核?？梢詫蛄旱恼麄€生命周期的橋梁健康監(jiān)測統(tǒng)一考慮，合理規(guī)劃監(jiān)測內(nèi)容，統(tǒng)籌安排有效資源。把成橋過程中的施工監(jiān)控中的監(jiān)測內(nèi)容作為橋梁健康監(jiān)測的一個組成部分。

針對性檢測通過橋梁監(jiān)測得到損傷的初步信息后需要進(jìn)行針對性檢測，確認(rèn)損傷的類型、大小和位置，然后打算是否發(fā)出橙色報警，同時將損傷數(shù)據(jù)存入健康檔案數(shù)據(jù)庫，以便以后對橋梁模型進(jìn)行修正。

橋梁常規(guī)檢測橋梁常規(guī)檢測指依據(jù)《大路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》的要求，對橋梁進(jìn)行定期的健康“普查”。它先對全部橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查，發(fā)覺損傷后再用無損檢測技術(shù)對損傷量化確認(rèn)。橋梁常規(guī)檢測將遵從以下原則進(jìn)行：1）對橋梁進(jìn)行具體的檢測，完成橋梁的信息卡，真實了解橋梁的實際工作狀況。2）對橋梁進(jìn)行的檢測，可以為結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性評估供應(yīng)基礎(chǔ)資料；為確定是否對橋梁維護(hù)實行進(jìn)一步的措施供應(yīng)依據(jù)。

3、分層式橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1工程背景

富民橋工程位于天津市海河兩岸綜合開發(fā)規(guī)劃的才智城范圍內(nèi)，是一座新建的跨海河橋梁，橋梁全長為340.3m，主橋設(shè)計為單塔空間索面自錨式懸索橋，橋塔為獨(dú)柱，主跨主纜錨于主梁的兩側(cè)，邊跨主纜錨于重力式錨碇，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。主纜主跨采納三維空間線形，在立面及平面皆為拋物線，邊跨主纜采納一組（兩根并排）纜索，不加豎向吊索形式，該結(jié)構(gòu)形式為結(jié)構(gòu)首創(chuàng)。

橋梁主跨跨徑157.08m，邊跨跨徑86.4m，橋面全寬38.6m。橋型布置圖見圖2。

圖2橋型布置圖及加速度傳感器測點(diǎn)布置3.2富民橋測點(diǎn)布置

實時動態(tài)監(jiān)測測點(diǎn)布置針對富民橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，監(jiān)測項目主要分為環(huán)境狀況監(jiān)測、結(jié)構(gòu)靜力性能監(jiān)測、結(jié)構(gòu)動力性能監(jiān)測。

1）環(huán)境狀況監(jiān)測

依據(jù)該橋的特點(diǎn)需長期進(jìn)行的環(huán)境監(jiān)測只考慮環(huán)境溫度，考慮到引起橋梁應(yīng)力的溫度作用主要為季節(jié)溫度變化和日照引起的橋梁不同部位的溫度差，但沿橋梁縱向方向的溫度變化不大，因此，本項目在主梁上布設(shè)數(shù)字式溫度計測量日照引起的溫度場。

2）結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測

a）懸吊體系的動力特性監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲憊損傷的累積結(jié)果，而橋梁結(jié)構(gòu)疲憊損傷主要是由于動荷載作用下的交變應(yīng)力作用的結(jié)果。對于懸索橋，其懸吊體系（主纜和吊索）不僅影響主梁結(jié)構(gòu)的動力特性和受力特性，而且其本身在交變應(yīng)力與環(huán)境腐蝕的相互作用下是導(dǎo)致疲憊和銹蝕損傷擴(kuò)展的重要緣由之一。結(jié)構(gòu)的整體性能轉(zhuǎn)變時，其模態(tài)參數(shù)（如頻率、振型等）也會發(fā)生相應(yīng)的變化。選用三軸加速度傳感器對懸吊體系的動力特性進(jìn)行實時監(jiān)測。

b）、主梁的動力特性監(jiān)測

主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)往往與引起整體振動的強(qiáng)振源相聯(lián)系，因此，通過對索塔和主梁振動的監(jiān)測，不僅可以識別主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，還可以實現(xiàn)對主梁結(jié)構(gòu)承受波動載荷歷程的記錄，同時，對加速度信號積分，可以得到結(jié)構(gòu)的動位移。對于主梁，需要同時測量豎向和水平橫向和縱向方向的加速度，因此，需要選用三軸加速度傳感器，依據(jù)該橋主要參加振動的振型，本項目將沿橋的跨度在橋面寬度兩側(cè)布設(shè)加速度傳感器對主梁的動力特性進(jìn)行實時監(jiān)測。

c）、索塔的動力特性監(jiān)測

索塔是懸索橋的重要構(gòu)件，索塔的振動主要為順橋向和橫橋向的振動，而且其頂部的振動最大，因此，在索塔頂部布設(shè)兩軸加速度傳感器對索塔的動力特性進(jìn)行實時監(jiān)測。

適時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)容主要有：

1）懸吊體系的監(jiān)測

精確?????把握吊索索力分布和索力變化有助于監(jiān)測吊索系統(tǒng)的工作狀態(tài)、分析索力分布及其變化對大橋結(jié)構(gòu)的影響、指導(dǎo)索力校正調(diào)整，并為更進(jìn)一步的局部檢查供應(yīng)依據(jù)。

為精確?????反映整個吊索系統(tǒng)索力分布和變化的狀況，吊索索力檢測采納振動法和布設(shè)光纖光柵傳感器相結(jié)合的方法。

2）主梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

監(jiān)測主梁應(yīng)力的目的在于通過對主梁結(jié)構(gòu)的掌握部位和重點(diǎn)部位內(nèi)力的監(jiān)測，把握主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷識別和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估供應(yīng)依據(jù)。同時，通過掌握點(diǎn)上的應(yīng)力狀態(tài)的變異，檢查結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞。

主梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的主要內(nèi)容是各掌握截面的變形、應(yīng)力及溫度效應(yīng)；主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；伸縮縫位移等?？紤]到大橋主梁比較寬，應(yīng)重視主梁結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力的監(jiān)測。

掌握截面為主梁的跨中、3/4跨、梁塔處的應(yīng)力和變形。主梁應(yīng)力監(jiān)測采納振弦式應(yīng)變計和光纖光柵傳感器相結(jié)合的方式，以對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行適時的、定期的檢測。

3）索塔結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

索塔是懸索橋的主要受力構(gòu)件，既要承受縱橋向的荷載，又要承受橫向風(fēng)載和溫度荷載，索塔的受力、沉降和變外形況是懸索橋結(jié)構(gòu)安全的重要掌握指標(biāo)。該項監(jiān)測內(nèi)容是反映懸索橋結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)的重要方面。

主要監(jiān)測內(nèi)容包括索塔塔頂?shù)某两岛退轿灰啤⑺魉Y(jié)構(gòu)各主要掌握截面的應(yīng)力及溫度效應(yīng)。掌握截面為中塔柱和塔底截面。鑒于應(yīng)變傳感器的相對測試原理，監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變監(jiān)測，在重要的應(yīng)變掌握測點(diǎn)實行雙傳感器布置，經(jīng)標(biāo)定后兩傳感器互為參考，其中一只傳感器因損壞而需要更換時，以另一只傳感器示值進(jìn)行標(biāo)定，此設(shè)計方法可以解決應(yīng)變傳感器更換丟失初值的問題。

4）主纜索力監(jiān)測

主纜是衡量懸索橋是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的一個重要標(biāo)志，且不行更換，通過對主纜索力的監(jiān)測，不僅能為從總體上評估大橋的安全性和耐久性供應(yīng)依據(jù)，同時也能檢測鋼索的錨固系統(tǒng)和防