桥梁工程长期健康监测及数字化管养系统研究
2011-05-30 来源：
随着信息技术的发展，未来的桥梁长期健康监测系统将具有高度的智能、可以精确检测桥梁的健康状况并将数据通过无线传感器和计算机网络实时传输给远方的分析系统并自动做出准确的判断。特别是随着目前光纤传感器的成熟及发展，使得桥梁的长期健康监测成为可能。某大桥作为一座结构新颖、技术难度高和结构复杂的V型刚构组合型桥梁（桥梁总体布置见图1），有必要开展此项研究，并运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，建立桥梁结构状态的数据收集处理系统，实现实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状况和环境因素的信息，而分析结构健康状态，评估结构的可靠性，为桥梁的管理与养护提供科学依据。
1 系统功能
借鉴国内外桥梁工程健康监测的实际经验，结合我国目前在这一领域的实际情况，桥梁长期健康监测应力求用最少的传感器和最小的数据量，对大桥及其关键构件（或部位）的工作状态进行实时可靠监测，实现多级报警，并通过对测量数据的分析处理对结构的异常行为进行自动诊断，对当前结构的安全性进行评估。系统的功能体现在以下几方面：
（1）综合性：桥梁结构健康监测系统设计的首要原则是综合性，要将施工过程监测监控和运营期长期健康监测及状况评估结合起来，同时要考虑桥梁的养护管理过程，从建好、养好和管好桥梁的角度出发设计系统。系统要能够建立桥梁设计、施工、运营、养护维修和管理的全过程历史档案数据库，以利于将来的分析评估。
（2）可靠性：桥梁结构健康监测系统的长期运行必须以工程可靠为基础，选择国内外有业绩和应用实例的成熟产品和技术，以保证系统要求和功能得以实现。
（3）先进性：健康监测系统要采用成熟的先进高新技术，使系统的监测能力能达到当前的国际先进水平，提高系统建设的科技含量。
（4）可操作性和易维护性：健康监测系统应易于管理和操作，人机交互界面应直观易于理解，充分利用系统仿真和可视化技术，避免因复杂操作带来的困难和失误。同时，监测系统要能够自我检查和维护。
（5）完整性和开放性：系统要能够采集到健康监测及状况评估所需的完整信息，监测过程必须内容完整、逻辑严密，各功能模块之间既互相独立又互相关联，避免故障发生时的联动影响。同时，随着健康监测技术的进步和发展，系统要能够扩充以便增强监测功能，不至于因为系统功能的调整而破坏整个系统。
2 系统要求
健康监测的系统范围包括空间范围和时间范围，空间范围一般是主桥范围，时间范围是从施工过程控制、结构形成过程信息采集和成桥后健康监测和数字化管养系统的实施，以及健康状况分析评估等环节。根据某大桥的工程特点，为满足实时监测与安全评价系统的原则，系统需要获取有关的应力及应变等信息数据：
2.1荷载数据
主要包括交通荷载数据、环境荷载数据以及温度荷载数据，通过对交通车辆荷载的载重量和流量、自然环境变化情况以及温度变化的监测，取得对桥梁结构的受力分析所必须的参数。
2.2受力状况监测
实时掌握各测点在车辆荷载、风荷载、温度荷载和地震等外荷载作用下的主梁、主墩和拱肋关键截面应力应变情况和系杆、吊杆索力变化的情况，为分析评价桥梁结构的健康状况和疲劳可靠性、验证桥梁设计理论提供依据，同时，通过测点的应力状况的变异和索力变化情况发现结构状态的变化，为大桥养护维修提供依据。
2.3变形位移监测
对主梁的位移、主梁和拱肋的轴线、主墩承台的标高进行监测，了解其变化情况，为分析和评估桥梁的健康状况提供依据。
2.4总体动态特性监测
实时掌握结构的频率、振型和阻尼特性，以及结构在各种荷载作用下的动力响应（包括振动位移和加速度）情况，为分析评估大桥的结构状况，验证大桥设计理论（包括车－桥振动和风致振动理论），为运营管理提供依据。
2.5疲劳腐蚀监测
监测锚室湿度变化情况，为分析锚碇部位腐蚀程度提供必要的依据；监测系杆和吊杆的 疲劳损伤和腐蚀情况，为评估系杆和吊杆的健康状况提供依据。
2.6其他监测项目
吊杆的风致颤振情况监测；伸缩缝的变化情况检测；支座反力监测；拱肋断面应力及拱脚应力，等等。
3 系统构成
3.1传感器子系统
由各种传感器构成，包括测量应力、加速度、位移、温度、风速及车辆荷载等的各式传感器及与之匹配的放大装置、二次仪表等。用于桥梁结构所处环境的变化、车辆荷载的变化及结构响应等各种信息的采集。
3.2信息预处理及传输子系统
由传感系统采集到的信号，需要预处理后才能传输，否则采样数据量过于庞大提高了对数据传输网络系统的要求。根据不同种类数据的特点，可采取压缩、过滤等方式处理，然后由网络通信系统传输至监控中心的数据处理计算机进行处理。采用多级数据采集和数据处理结构：
（1）实时数据采集，数字信号和数据预处理，以及实时超限预警。
（2）在线二次数据处理，数据存档，关键结构数据分析。
3.3信息处理及数据库子系统
对由网络通信系统传入的监测数据进行分析处理，建立桥梁监测信息公共数据库。通过这一适时反映桥梁状况的数据库，不同部门及领域的人员能对自己感兴趣的数据进一步分析处理。
采集到的信息用三级数据库结构管理，即长期监测数据库、超阈值事件数据库和健康状态数据库。各数据库的定义如下：
（1）长期监测数据库：用于存储温度、应变、风速及风向的原始数据库，便于今后对数据进行精确分析、查询及校核。
（2）超值域事件数据库：用于存储超过限值的温度、应变、加速度、倾角、风速及风向的原始数据，便于对超域值事件进行重点分析和评估。
（3）健康状态数据库：用于存储经过与处理的温度、应变、加速度、倾角、风速及风向的统计数据，便于专家系统对桥梁的健康状况进行快速而高效地分析和评估。
3.4桥梁结构健康状况评估专家系统子系统
利用桥梁监测信息公共数据库提供的信息，采用人工神经网络、小波分析和结构力学反
问题等方面的技术研究开发专家系统，该系统通过施工控制过程的监测数据、桥梁成桥完整性检测的数据，不断学习桥梁生命周期的环境变化和结构响应的数据，建立起荷载与结构响应之间的关系。从而可以在线监测，通过监测系统数据掌握桥梁的健康状况，如有异常则报警。评估的策略主要有桥梁健康状态的定期评估、超限值事件的评估分析、异常状态的分析及识别、结构建模和分析、静力承载能力分析和动力特性评估等。
3.5开放接口子系统
桥梁结构健康监测系统采集到的各种数据信息由信息处理及数据库系统管理，这些数据是非常宝贵的资源，对于桥梁的设计单位、管理维护部门、交通管理部门及研究机构都有重要的意义。通过开放接口系统，实现资源共享，充分利用桥梁结构健康监测系统，实现这一系统的价值。
3.6管理控制子系统
管理控制系统处于整个系统的核心，整个系统的软硬件的驱动控制，各子系统的协调运作要求有一个指挥中枢。信号的采集分析、评估策略的选择和异常情况的处理将由管理控制系统来实现。
3.7系统维护与保障子系统
作为适时的长期监测系统，为使监测系统能长期独立工作，必须能自动检查电源、传感器、导线、计算机等硬件是否正常工作，各种设备是否老化及零点是否飘移等，以便及时调整。
4 系统运用
建立健康状况评估专家系统，其目的是如何根据实际监测大桥获得的大量数据和信息，科学客观地评价大桥结构的安全性、耐久性和正常使用性，给桥梁的管理与维护提供决策依据。为了实现这一目标，必须充分利用实时监测得到的结构信息以及桥梁的历史记录数据资料，才能对大桥的结构状况进行识别与评估。包括：正常运营交通对桥梁结构的影响评估，超重车辆对桥梁承载力退化的影响评估，桥梁健康状况的静动态特性指标评估，外界的自然因素（风、雨、气温变化）对桥梁结构的影响评估。
通过对以上内容的评估，分析桥梁承受多大的交通量是安全状况，桥梁的承载潜力可达到何种交通量水平；分析超重车辆对桥梁承载力退化的影响规律；研究桥梁结构健康状况评估的静动态特性指标；研究温度荷载对桥梁结构状况的影响以及风雨共同作用对系杆、吊杆及拱肋的抖振影响。
4.1建立分析模型
根据某大桥的结构特点，结合施工的实际情况对大桥作深入分析，利用这些分析结果建立反映大桥的数字化模型，以此作为施工过程监测监控和长期健康监测的基础，同时对影响健康状况的各种技术因素作全面分析。
4.2监测系统集成
通过施工过程试验（主梁和拱肋的状态、系杆和吊杆的振动试验等）及成桥荷载试验（静载、动载试验），分析得到优化的测试方案，将所有监测项目集成为完整的系统，完成硬件及软件的安装调试，培训系统使用的操作人员并交付使用。
4.3监测分析评估
监测系统采集得到的数据包含了大量的桥梁信息，对桥梁健康状况的正确评估必须建立在对监测数据正确分析的基础上。其过程涉及数据采集策略、数据有效性识别和数据信息提取等环节。
利用从监测数据中提取的桥梁结构特性参数，进行桥梁结构状况的初步评价，结合观测得到的桥梁环境荷载信息和其他手段获得的结构状况，分析大桥的动、静力安全性和大桥的正常使用性和耐久性。如出现异常，则辅助人工检测和无损检测手段识别结构可能存在的局部损伤，预报桥梁结构随时间变化产生的疲劳损伤和功能退化状况，并以此作为桥梁维修养护决策的依据。
4.4技术路线
主要包括大型有限元分析、结构模型修正、结构数值模拟与仿真、试验模态分析、人工神经网络、结构损伤识别、结构可靠性理论和工程经济分析等分析方法和手段。以此作为研究的平台，结合桥梁设计和管理专家的知识经验进行分析。
桥梁健康状况评估系统的技术路线如图3所示。
（1）利用桥梁设计计算和历史检测资料建立其有限元模型，监测系统的测试数据通过试验模型分析、人工神经网络分析技术进行参数识别。以此识别结果修正桥梁有限元模型，力求使修正后的有限元模型在工程误差范围内表征实际的桥梁结构，从而建立状况评估的起点和基准。
（2）在长期监测过程中，监测系统采集到的数据同样需要进行参数识别。识别结果与基准桥梁模型在相同荷载水平和条件下的计算结果作比较，比较的结果作为桥梁损伤识别的输入信息。利用桥梁结构损伤识别技术，对桥梁损伤的性质、位置和程度做出判断或估计。
（3）根据基准桥梁模型，应用结构数值模拟与仿真技术，模拟桥梁在时间历程、意外事件、超重车辆、温度变化和风雨激励作用下的结构响应，以此估计桥梁的剩余强度和寿命、可靠度。同时，应用工程技术经济理论，对桥梁的生命周期成本进行分析和估计。
（4）根据上述的分析结果，为桥梁的维修养护决策提供依据，或者提出更为经济有效的桥梁检测和养护建议，以此保证桥梁的运营安全和经济效益。
5 结语
对桥梁结构进行长期健康监测及建立数字化信息收集系统，通过传感器元件实时采集大桥在运营状态下的各种数据和信号，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，为维修管养提供决策依据，不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的科学意义，将对桥梁工程数字化、智能化发展发挥积极的作用。
