大型桥梁结构健康监测的技术发展
2015-07-02
简介
结构健康监测的发展技术监测、评估和评估现有的或新建桥梁已经达到某种程度的成熟。在结构长期监测系统已经在欧洲上实现桥梁,美国、加拿大、日本、韩国,中国和其他国家都已经实现。桥梁结构健康监测系统通常设想到:(i)验证假设和参数设计的潜在好处,改进设计规范和指导未来的类似结构；(ii)检测异常在加载和响应,以及可能的损伤/恶化处于初期阶段,确保结构和运营安全； (iii)提供实时信息后立即进行安全评价灾害和极端事件；（iv）提供证据和指导规划和优先桥检查、康复、维护和修理；(v)监测维修和重建与视图的评估的有效性,改造和维修保养工作；(vi)获得大量的现场数据对叶片在桥梁工程的研究,如风力和抗震设计、新结构类型和智能材料的应用程序。
开发和实施一个结构健康监测系统能够完全实现上述目标和利益，但目前仍然是一个挑战,需要协调跨学科研究完全适应创新性技术在应用程序开发的其他学科的土木工程的社区。实际上,结构健康监测的主题主要国际研究近年来。在这个主题的研究涵盖了传感、通信、信号处理、数据管理、系统识别、信息技术等。它需要机械,电气以及民用计算机工程等之间的协作。当前的挑战桥结构健康监测被确认为分布式和嵌入式传感、数据管理和存储、数据挖掘和知识发现、诊断方法、和演示的有用和可靠的信息桥梁所有者/经理为决策在维护和管理。在本文中,在之后的现状的概述大型桥梁健康监测实践中,作者探索一些关键问题有关上述挑战,对于研究者和实践者们,通过引用几个健康监测工程范例。
2、实践状态的桥梁监测系统
成功的实现和操作的长期结构健康监测系统的桥梁被广泛报道。到目前为止大约40大跨度桥梁(跨度100米或更长时间),世界与结构健康监测系统的检测。典型的例子是伟大的皮带桥在区别,在加拿大的联邦大桥,在香港的青马大桥,在美国海军准将巴里桥,明石海峡大桥在日本,在韩国首尔桥。20个大型桥梁在中国(包括香港特别行政区)检测与实时监控系统。这个清单不包括东海大桥(包括两个主要的跨度斜拉桥分别为420米和332米),杭州湾大桥(包括两个主要的跨度斜拉桥分别为448米和318米)和第三南京长江大桥(一个双塔斜拉桥主跨度648米)的长期结构性的健康监测系统是目前正在设计。
最近的一些实践趋势在结构健康监测为大规模桥是值得一提的。(i) (我)对一些最近的桥梁如深圳西走廊,昂船洲大桥,上海崇明穿越(一个双塔斜拉桥主跨度1200米)和墨西拿海峡大桥(一个悬索桥主跨度3300米),一个监控系统的设计要求在招标作为桥梁设计的。集成桥梁设计和监测系统设计确保设计工程师的重要问题是反映在监控系统,同时实现民事规定监测系统被认为是在桥的设计。(ii)实施长期监测系统在新的桥梁如第四钱江桥,深圳西部通道,昂船洲大桥和苏通大桥是完成与桥施工进度同步。这样一些特定类型的传感器,例如,腐蚀传感器,应变仪和光纤传感器可以嵌入到结构在某桥安装阶段。(iii)最近设计了长期健康监测系统强调多用监测桥梁的完整性,耐用性和可靠性。在香港,一个改进从青马大桥监测系统监测系统包括更多的昂船洲大桥环境测量传感器如腐蚀传感器、气压计,湿度计和雨量计促进桥梁安全/可靠性评估。另一个例子是苏通大桥的监控系统,将把大部分的嵌入式传感器目前属于基础稳定和安全监控系统，专为施工监测只有)增强了上层建筑长期监测系统对桥耐久性评估。
3、传感和数据采集系统
在过去的十年里取得了重大进展传感技术和各种创新的传感系统,如光纤传感器和无线传感器现在正成为商用。一个传感系统是至关重要的实现结构健康监测的桥梁。想象的未来的桥梁健康监测使用一个数组的廉价、空间分布、无线供电,无线网络,嵌入式传感设备支持频繁和按需收购实时信息和环境影响的加载,结构特性和响应。光纤传感器已经成功地应用于长期的大型桥梁结构健康监测,而应用程序的无线传感器桥梁监测仍在技术演示阶段。
值得一提的是,一些传统的传感器变得不可行,当应用到大型桥梁行不通的长期监测。例如,它是一个困难的任务来测量偏差(绝对位移)的大跨度桥梁。传统的位移传感器只能用于相对位移测量,而激光传感器和总电台已被证明是不适合长期监测的大跨度桥梁。当前解决这个问题的办法是使用全球定位系统(GPS)。然而,应用程序的一个GPS桥梁监测有两个限制: (i) (我)测量精度的一个GPS不够好完全满足桥梁健康监测的要求； (ii)一个GPS并不适合监测位移栈桥的桥下面甲板(所造成的船舶碰撞、结算等)。应变测量是另一个问题是至关重要的桥梁健康评估。有两种常用的应变传感器:电阻应变计和振动线应变仪。他们的缺陷:电阻应变仪能够测量动态应变但拥有低稳定性导致漂移测量随着时间的推移,振动线应变仪具有较高的零稳定但只能用于准静态应变测量。这些缺陷的传统应变计有调用应用程序增加创新的光纤传感器长期检测大型桥梁。说明了这样一个应用程序,其中光纤传感器部署在甲板长度的悬浮桥对于应变和江阴市温度测量。最具吸引力的身体特征的光纤传感器是他们能力的分布式传感与测量这将导致精心制作的状态监测大规模桥梁。另一个有前景的应用光纤传感器对电缆支持桥梁是埋置传感器在大桥电缆对于温度和应变测量。
一个跨学科的研究团队在香港理工大学设计了这样一个光纤传感系统苏通大桥斜拉桥。在这个设计中,七出电线电缆截面组合取代了不锈钢钢管为部署光纤传感器。视神经纤维在术语的布里渊散射传感器铺设的应变自由在每个钢管为分布式温度测量沿着电缆长度。这项技术的布里渊光时域反射计(b时域反射仪(otdr)使用,由激光脉冲发射到光纤,作为传感元件和温度的测量是通过结合散射信息与传播时间的激光脉冲在光纤。它指出,7镀锌线已添加的最外层的电缆截面保持总面积的电线不变的。与此同时,光纤布拉格光栅(FBG)传感器嵌入到这些电缆两端有应变测量。
应变的电缆附近的锚地衡量,是环氧胶和光纤光栅阵列上的外表面管材。光纤光栅阵列的光纤光栅应变传感器包括三个间隔2米。FBGs很敏感的两个应变和温度。FBGs的温度得到b时域反射仪(otdr)系统,因此应变应用到FBGs可以确定。因为光纤光栅阵列安装沿钢管用于容纳b时域反射仪(otdr)温度测量方法,额外的钢管和线面积缩小是避开的。
在实现结构健康监测系统的苏通长江大桥,一个分布式数据采集系统基于PXI / SCXI和MXI-3技术已经被设计来克服传输电缆长度限制,同时最小化DAUs的数量。该系统由七DAUs连接一个FDDI双重环光纤网络中央的房间。每道是组成一个火车站(MS)和可选的分站(SSs)。主要的电台由一个PXI仪器平台,一个信号调节系统和数据采集模块,而电力分站(SS)没有PXI仪器平台。每个变电站连接到它的主要站MXI-3界面工具包,远程控制的火车站。PXI仪器的平台和一个PXI控制器负责运作的道、与中央的房间信号预处理和沟通。在苏通长江大桥,两个分站(ss2 1和SS6-1),分别连接到火车站和MS6一,放在了两个塔(一个在每个塔)基地附近的收集数据从传感器放置低于塔基础水平,包括那些目前属于地基稳定和安全监控系统(1400多个传感器也参与这个系统)。利用MXI-3技术、传输电缆长度限制可以被释放,没有雇佣额外的DAUs。在这个设计中,每个道是能够支持最多八个子借助MXI-3扩展槽。
