橋梁工程長期健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)

橋梁工程長期健康監(jiān)測及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)研究前言隨著信息技術的發(fā)展，未來的橋梁長期健康監(jiān)測系統(tǒng)將具有高度的智能、可以精確檢測橋梁的健康狀況并將數(shù)據(jù)通過無線傳感器和計算機網(wǎng)絡實時傳輸給遠方的分析系統(tǒng)并自動做出準確的判斷。特別是隨著目前光纖傳感器的成熟及發(fā)展，使得橋梁的長期健康監(jiān)測成為可能。某大橋作為一座結構新穎、技術難度高和結構復雜的V型剛構組合型橋梁（橋梁總體布置見圖1），有必要開展此項研究，并運用現(xiàn)代化傳感設備與光電通信及計算機技術，建立橋梁結構狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測橋梁運營階段在各種環(huán)境條件下的結構響應和行為，獲取反映結構狀況和環(huán)境因素的信息，而分析結構健康狀態(tài)，評估結構的可靠性，為橋梁的管理與養(yǎng)護提供科學依據(jù)。1系統(tǒng)功能借鑒國內外橋梁工程健康監(jiān)測的實際經(jīng)驗，結合我國目前在這一領域的實際情況，橋梁長期健康監(jiān)測應力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量，對大橋及其關鍵構件（或部位）的工作狀態(tài)進行實時可靠監(jiān)測，實現(xiàn)多級報警，并通過對測量數(shù)據(jù)的分析處理對結構的異常行為進行自動診斷，對當前結構的安全性進行評估。系統(tǒng)的功能體現(xiàn)在以下幾方面：（1）綜合性：橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的首要原則是綜合性，要將施工過程監(jiān)測監(jiān)控和運營期長期健康監(jiān)測及狀況評估結合起來，同時要考慮橋梁的養(yǎng)護管理過程，從建好、養(yǎng)好和管好橋梁的角度出發(fā)設計系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠建立橋梁設計、施工、運營、養(yǎng)護維修和管理的全過程歷史檔案數(shù)據(jù)庫，以利于將來的分析評估。（2）可靠性：橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的長期運行必須以工程可靠為基礎，選擇國內外有業(yè)績和應用實例的成熟產(chǎn)品和技術，以保證系統(tǒng)要求和功能得以實現(xiàn)。（3）先進性：健康監(jiān)測系統(tǒng)要采用成熟的先進高新技術，使系統(tǒng)的監(jiān)測能力能達到當前的國際先進水平，提高系統(tǒng)建設的科技含量。（4）可操作性和易維護性：健康監(jiān)測系統(tǒng)應易于管理和操作，人機交互界面應直觀易于理解，充分利用系統(tǒng)仿真和可視化技術，避免因復雜操作帶來的困難和失誤。同時，監(jiān)測系統(tǒng)要能夠自我檢查和維護。（5）完整性和開放性：系統(tǒng)要能夠采集到健康監(jiān)測及狀況評估所需的完整信息，監(jiān)測過程必須內容完整、邏輯嚴密，各功能模塊之間既互相獨立又互相關聯(lián)，避免故障發(fā)生時的聯(lián)動影響。同時，隨著健康監(jiān)測技術的進步和發(fā)展，系統(tǒng)要能夠擴充以便增強監(jiān)測功能，不至于因為系統(tǒng)功能的調整而破壞整個系統(tǒng)。2系統(tǒng)要求健康監(jiān)測的系統(tǒng)范圍包括空間范圍和時間范圍，空間范圍一般是主橋范圍，時間范圍是從施工過程控制、結構形成過程信息采集和成橋后健康監(jiān)測和數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)的實施，以及健康狀況分析評估等環(huán)節(jié)。根據(jù)某大橋的工程特點，為滿足實時監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的原則，系統(tǒng)需要獲取有關的應力及應變等信息數(shù)據(jù)：2.1荷載數(shù)據(jù)主要包括交通荷載數(shù)據(jù)、環(huán)境荷載數(shù)據(jù)以及溫度荷載數(shù)據(jù)，通過對交通車輛荷載的載重量和流量、自然環(huán)境變化情況以及溫度變化的監(jiān)測，取得對橋梁結構的受力分析所必須的參數(shù)。2.2受力狀況監(jiān)測實時掌握各測點在車輛荷載、風荷載、溫度荷載和地震等外荷載作用下的主梁、主墩和拱肋關鍵截面應力應變情況和系桿、吊桿索力變化的情況，為分析評價橋梁結構的健康狀況和疲勞可靠性、驗證橋梁設計理論提供依據(jù)，同時，通過測點的應力狀況的變異和索力變化情況發(fā)現(xiàn)結構狀態(tài)的變化，為大橋養(yǎng)護維修提供依據(jù)。2.3變形位移監(jiān)測對主梁的位移、主梁和拱肋的軸線、主墩承臺的標高進行監(jiān)測，了解其變化情況，為分析和評估橋梁的健康狀況提供依據(jù)。卵2.蜂4斗總體動態(tài)盆特性姻監(jiān)測窄實時掌握睛結構的頻陶率、振型壽和阻尼特余性，以及脹結構在各挺種荷載作餐用下的動沿力響應（金包括振動治位移和加鐘速度）情振況，為分券析評估大趙橋的結構漠狀況，驗和證大橋設云計理論（賀包括車－稍橋振動和貼風致振動繞理論），舌為運營管謹理提供依腸據(jù)。嗓2.偵5航疲勞腐蝕晌監(jiān)測針監(jiān)測錨室織濕度變化敬情況，為碰分析錨碇擦部位腐蝕投程度提供斷必要的依邪據(jù)；監(jiān)測竟系桿和吊沖桿的寒疲勞損傷遺和腐蝕情顧況，為評覺估系桿和弱吊桿的健溫康狀況提剩供依據(jù)。唱2.交6虹其他監(jiān)測殼項目嚇吊桿的風閉致顫振情米況監(jiān)測；愁伸縮縫的煌變化情況忘檢測；桿支座反力示監(jiān)測山；拱肋斷牲面應力及乘拱腳洗應力曲，等等。博3擊絨系統(tǒng)構成據(jù)3.1器傳感器子蒸系統(tǒng)痰由各種傳鉛感器構成鹿，包括測根量應力、氏加速度、勸位移、溫尾度、風速諸及車輛荷企載等的各迅式傳感器因及與之匹征配的放大泊裝置、二持次儀表等新。用于橋喪梁結構所冶處環(huán)境的全變化、車虛輛荷載的渴變化及結劇構響應等約各種信息捉的采集。牛3.2賀信息預處釘理及傳輸愧子系統(tǒng)渣由傳感系紙統(tǒng)采集到僻的信號，飄需要預處肥理后才能稅傳輸，否躍則采樣數(shù)替據(jù)量過于韻龐大提高鏡了對數(shù)據(jù)螺傳輸網(wǎng)絡見系統(tǒng)的要逃求。根據(jù)拜不同種類謝數(shù)據(jù)的特板點，可采鴿取壓縮、欲過濾等方抱式處理，碧然后由網(wǎng)爽絡通信系冒統(tǒng)傳輸至很監(jiān)控中心錢的數(shù)據(jù)處雄理計算機男進行處理飾。采用多宰級數(shù)據(jù)采甜集和數(shù)據(jù)雞處理結構慨：再（己1欺）實時數(shù)產(chǎn)據(jù)采集，屯數(shù)字信號擋和數(shù)據(jù)預過處理，以嚇及實時超莫限預警。蒸（鴿2肉）在線二晌次數(shù)據(jù)處字理，數(shù)據(jù)朗存檔，關速鍵結構數(shù)昂據(jù)分析。輪3.3欠信息處理狂及數(shù)據(jù)庫及子系統(tǒng)冒對由網(wǎng)絡功通信系統(tǒng)偉傳入的監(jiān)萍測數(shù)據(jù)進忘行分析處迅理，建立琴橋梁監(jiān)測式信息公共涼數(shù)據(jù)庫。訪通過這一部適時反映惰橋梁狀況幕的數(shù)據(jù)庫獲，不同部暴門及領域增的人員能怖對自己感槐興趣的數(shù)欠據(jù)進一步疫分析處理婆。港采集到的炭信息用三傭級數(shù)據(jù)庫菜結構管理賽，即長期迷監(jiān)測數(shù)據(jù)生庫、超閾架值事件數(shù)伙據(jù)庫和健眼康狀態(tài)數(shù)紋據(jù)庫。各刻數(shù)據(jù)庫的驗定義如下貨：炮（股1響）長期監(jiān)誦測數(shù)據(jù)庫?。河糜诖嫠簝囟取⒁邞?、風龜速及風向貫的原始數(shù)循據(jù)庫，便杜于今后對倒數(shù)據(jù)進行蓮精確分析目、查詢及般校核。乒（敲2槽）超值域塑事件數(shù)據(jù)范庫：用于香存儲超過盲限值的溫棚度、應變距、加速度陡、傾角、遞風速及風窩向的原始侍數(shù)據(jù)，便盟于對超域澡值事件進圣行重點分拔析和評估恥。療（換3躬）健康狀撤態(tài)數(shù)據(jù)庫?。河糜诖鏆?jīng)過與域處理的溫傳度、應變窩、加速度胡、傾角、伍風速及風寧向的統(tǒng)計長數(shù)據(jù)，便足于專家系賺統(tǒng)對橋梁平的健康狀常況進行快發(fā)速而高效夾地分析和沙評估。撇3.4歷橋梁結構參健康狀況棍評估專家咸系統(tǒng)子系特統(tǒng)小利用橋梁講監(jiān)測信息礦公共數(shù)據(jù)忠?guī)焯峁┑膿畔?，采李用人工神立?jīng)網(wǎng)絡、那小波分析期和結構力冠學反念問題等方爬面的技術右研究開發(fā)尖專家系統(tǒng)遭，該系統(tǒng)峽通過施工替控制過程際的監(jiān)測數(shù)樹據(jù)、橋梁染成橋完整行性檢測的犯數(shù)據(jù)，不猾斷學習橋界梁生命周伙期的環(huán)境娛變化和結掏構響應的尚數(shù)據(jù)，建猾立起荷載祝與結構響消應之間的憑關系。從條而可以在貪線監(jiān)測，端通過監(jiān)測桿系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯掌握橋梁陡的健康狀唱況，如有導異常則報掉警。評估返的策略主渴要有橋梁庸健康狀態(tài)許的定期評縣估、超限照值事件的怪評估分析聽、異常狀異態(tài)的分析忽及識別、恢結構建模攀和分析、躬靜力承載漫能力分析蜜和動力特錄性評估等拼。俱3.5軟開放接口姨子系統(tǒng)儀橋梁結構戀健康監(jiān)測頁系統(tǒng)采集賠到的各種昆數(shù)據(jù)信息草由信息處別理及數(shù)據(jù)膠庫系統(tǒng)管揪理，這些議數(shù)據(jù)是非糠常寶貴的新資源，對紛于橋梁的紫設計單位驢、管理維倒護部門、惠交通管理沾部門及研鹿究機構都吊有重要的務意義。通竟過開放接璃口系統(tǒng)，甜實現(xiàn)資源目共享，充她分利用橋豬梁結構健糧康監(jiān)測系委統(tǒng)，實現(xiàn)屬這一系統(tǒng)簽的價值。富3.6汗管理控制秤子系統(tǒng)胸管理控制南系統(tǒng)處于助整個系統(tǒng)址的核心，蛾整個系統(tǒng)盒的軟硬件捐的驅動控截制，各子保系統(tǒng)的協(xié)瞞調運作要令求有一個氣指揮中樞戀。信號的懇采集分析層、評估策睡略的選擇性和異常情夫況的處理皮將由管理愿控制系統(tǒng)房來實現(xiàn)。旅3.7粘系統(tǒng)維護布與保障子惹系統(tǒng)洋作為適時減的長期監(jiān)冒測系統(tǒng)，坦為使監(jiān)測轎系統(tǒng)能長持期獨立工往作，必須快能自動檢律查電源、感傳感器、糟導線、計韻算機等硬稼件是否正鋼常工作，瓶各種設備系是否老化恭及零點是飲否飄移等屬，以便及床時調整。謎監(jiān)測系統(tǒng)泳構成參見蘇附拴圖醉2譯。傳感器布設傳感器布設物理層數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)信息層大橋現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應用層結構計算橋梁仿真信息采集預警預報狀態(tài)評估遠程管理費用分析養(yǎng)護決策支持軟件支持軟件支持軟件疏圖效2壇餡健康監(jiān)測乖系統(tǒng)結構路圖不4匠征偵系統(tǒng)運用雕建立健康般狀況評估毯專家系統(tǒng)切，其目的眾是如何根很據(jù)實際監(jiān)槍測大橋獲滔得的大量齡數(shù)據(jù)和信泰息，科學化客觀地評殺價大橋結講構的安全聞性、耐久音性和正常到使用性，附給橋梁的膊管理與維述護提供決矛策依據(jù)。芹為了實現(xiàn)鹽這一目標澤，必須充里分利用實截時監(jiān)測得再到的結構叉信息以及到橋梁的歷推史記錄數(shù)蘇據(jù)資料，式才能對大超橋的結構疤狀況進行兆識別與評父估。包括鄭：正常運拉營交通對歐橋梁結構纖的影響評刺估，超重忌車輛對橋縱梁承載力蓬退化的影賠響評估，灣橋梁健康哥狀況的靜拋動態(tài)特性距指標評估嗽，外界的恩自然因素鐮（風、雨錢、氣溫變飼化）對橋易梁結構的白影響評估專。經(jīng)通過對以嗓上內容的黎評估，分蝕析橋梁承么受多大的椅交通量是忠安全狀況姥，橋梁的領承載潛力虜可達到何膨種交通量施水平；分罪析超重車默輛對橋梁片承載力退迎化的影響土規(guī)律；研汗究橋梁結由構健康狀沉況評估的狗靜動態(tài)特礎性指標；能研究溫度丘荷載對橋職梁結構狀捉?jīng)r的影響磁以及風雨繩共同作用鋼對系桿、艙吊桿及拱慌肋的抖振蜻影響。阻4.1套建立分析惑模型腐根據(jù)某大漠橋的結構峽特點，結縮合施工的枯實際情況淘對大橋作濕深入分析鞭，利用這韻些分析結侵果建立反剛映大橋的堡數(shù)字化模真型，以此旨作為施工巷過程監(jiān)測選監(jiān)控和長立期健康監(jiān)渴測的基礎聰，同時對艱影響健康突狀況的各政種技術因銀素作全面療分析。芝4各.繞2達監(jiān)測系統(tǒng)炒集成晴通過施工呼過程試驗灰（主梁和片拱肋的狀晃態(tài)、系桿催和吊桿的巧振動試驗丸等）及成蒙橋荷載試膛驗（靜載葬、動載試舍驗），分系析得到優(yōu)蒙化的測試跳方案，將據(jù)所有監(jiān)測饅項目集成祖為完整的修系統(tǒng)，完渣成硬件及懷軟件的安障裝調試，葡培訓系統(tǒng)梯使用的操峰作人員并乒交付使用喇。災4.邁3勝監(jiān)測分析筒評估創(chuàng)監(jiān)測系統(tǒng)艙采集得到險的數(shù)據(jù)包射含了大量徐的橋梁信扔息，對橋超梁健康狀筒況的正確泛評估必須種建立在對雙監(jiān)測數(shù)據(jù)找正確分析園的基礎上氣。其過程簽涉及數(shù)據(jù)撈采集策略良、數(shù)據(jù)有梢效性識別餐和數(shù)據(jù)信家息提取等服環(huán)節(jié)。候利用從監(jiān)拉測數(shù)據(jù)中下提取的橋商梁結構特棕性參數(shù)，摧進行橋梁修結構狀況著的初步評老價，結合餅觀測得到瞎的橋梁環(huán)論境荷載信眾息和其他牢手段獲得牧的結構狀劫況，分析紐大橋的動變、靜力安下全性和大跑橋的正常笑使用性和籮耐久性。腿如出現(xiàn)異等常，則輔懶助人工檢似測和無損粱檢測手段太識別結構憲可能存在崗的局部損昂傷，預報垃橋梁結構映隨時間變奴化產(chǎn)生的衫疲勞損傷繞和功能退耗化狀況，架并以此作靜為橋梁維雙修養(yǎng)護決華策的依據(jù)聾。竟4.旋4厭技術路線彼主要包括臂大型有限炸元分析、填結構模型臣修正、結褲構數(shù)值模稈擬與仿真閑、試驗模翠態(tài)分析、共人工論神經(jīng)網(wǎng)絡構、結構損吳傷識別、彎結構可靠丑性理論和羅工程經(jīng)濟史分析等分呆析方法和麻手段。以蓋此作為研離究的平臺柱，結合橋似梁設計和粗管理專家猶的知識經(jīng)岡驗進行分夸析。希橋梁健康允狀況評估咳系統(tǒng)的技妨術路線如蠶圖短3圍所示。忌（眠1漂）利用橋行梁設計計饅算和歷史京檢測資料且建立其有名限元模型技，監(jiān)測系話統(tǒng)的測試謹數(shù)據(jù)通過究試驗模型知分析、人藥工神經(jīng)網(wǎng)守絡分析技秋術進行參百數(shù)識別。襪以此識別科結果修正肚橋梁有限搏元模型，匠力求使修賊正后的有遣限元模型棋在工程誤壩差范圍內孩表征實際崖的橋梁結共構，從而爹建立狀況霉評估的起況點和基準估。筆（判2乓）在長期狼監(jiān)測過程橡中，監(jiān)測宗系統(tǒng)采集派到的數(shù)據(jù)版同樣需要膛進行參數(shù)濾識別。識圓別結果與評基準橋梁筐模型在相駐同荷載水劣平和條件驚下的計算記結果作比列較，比較京的結果作郵為橋梁損別傷識別的予輸入信息丟。利用橋餡梁結構損材傷識別技露術，對橋艷梁損傷的貪性質、位艘置和程度私做出判斷雅或估計。鴨（公3嗎）根據(jù)基緩準橋梁模礎型，應用宋結構數(shù)值腹模擬與仿桶真技術，附模擬橋梁揚在時間歷毫程、意外硬事件、超旁重車輛、懂溫度變化午和風雨激牌勵作用下雜的結構響涉應，以此桿估計橋梁拒的剩余強盒度和壽命踩、可靠度秋。同時，栽應用工程棄技術經(jīng)濟炮理論，對門橋梁的生書命周期成港本進行分小析和估計慢。帖（售4廊）根據(jù)上控述的分析錫結果，為槍橋梁的維擔修養(yǎng)護決賴策提供依蒸據(jù)，或者坊提出更為樂經(jīng)濟有效滅的橋梁檢絡測和養(yǎng)護堅建議，以紡此保證橋掙梁的運營雹安全和經(jīng)捐濟效益。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集——測試橋梁結構激勵數(shù)據(jù)采集、信號處理傳感系統(tǒng)參數(shù)識別結構模型修正結構模型檢測結構計算及仿真結構損傷識別結構強度計算使用壽命預測可靠性分析及評價生命周期成本分析維修