崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
2015-06-30
橋梁經(jīng)過長(zhǎng)期使用難免會(huì)發(fā)生各種各樣的結(jié)構(gòu)損傷，損傷的原因有地震、洪水等自然災(zāi)害，也有車輛超載、車禍、船舶撞擊等人為因素，以及腐蝕、氧化、風(fēng)雨、振動(dòng)等環(huán)境因素。隨著大跨橋梁設(shè)計(jì)的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化，為了把握橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)期間的承載能力、營運(yùn)狀態(tài)、安全性和耐久性，需要建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在橋梁內(nèi)部關(guān)鍵部位安裝各種類型的傳感器來對(duì)橋梁的整個(gè)使用壽命期間的結(jié)構(gòu)健康狀況和性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種完整的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其基本內(nèi)涵是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
1 工程概況
上海崇明至江蘇啟東長(zhǎng)江公路大橋（崇啟大橋）全線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主橋?yàn)殡p幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續(xù)梁橋，引橋?yàn)?0×50m節(jié)段梁拼裝混凝土連續(xù)梁橋和20×30m現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁橋，其主橋聯(lián)長(zhǎng)和單跨跨徑均為國內(nèi)同類橋型第一。為確保崇啟大橋施工及營運(yùn)期的安全性和耐久性，崇啟大橋建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要從三個(gè)方面考慮：結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以主橋?yàn)橹?、兼?0m跨引橋，重點(diǎn)關(guān)注主橋風(fēng)場(chǎng)特性、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、振動(dòng)、位移、鋼結(jié)構(gòu)疲勞和引橋體外預(yù)應(yīng)力束索力等。其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括以下四個(gè)部分：①傳感器子系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)。
這四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體工作步驟如下：①傳感器子系統(tǒng)的各傳感器在線拾取大橋關(guān)鍵部位的信號(hào)；②將采集到的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在本地工業(yè)用計(jì)算機(jī)內(nèi)，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)；③由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)；④結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、閾值判別給出評(píng)估意見及報(bào)警信息，并為養(yǎng)護(hù)工作提出建議。
2.1 傳感器子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象分為2類9項(xiàng)：①荷載監(jiān)測(cè)：風(fēng)、大氣溫濕度以及結(jié)構(gòu)溫度、路面溫度、交通荷載；②結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)：加速度（主梁振動(dòng)、地震船撞）、主梁撓度、應(yīng)力應(yīng)變、支座及伸縮縫位移、體外預(yù)應(yīng)力索索力。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是布點(diǎn)設(shè)計(jì)，崇啟大橋設(shè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)2個(gè)，溫濕度測(cè)點(diǎn)8個(gè)，結(jié)構(gòu)溫度測(cè)點(diǎn)72個(gè)，伸縮縫位移測(cè)點(diǎn)8個(gè)，撓度測(cè)點(diǎn)9個(gè)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)72個(gè)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)26個(gè)，地震及船撞測(cè)點(diǎn)21個(gè)，體外索索力測(cè)點(diǎn)16個(gè)。
?。?）風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)
和普通的混凝土梁式橋不同，大跨徑鋼連續(xù)梁橋由于剛度較小、自重較輕，在風(fēng)荷載作用下，可能產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)。崇啟大橋在實(shí)際運(yùn)營中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)荷載的影響，并分析評(píng)估大橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
?。?）空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)
空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，溫度變化對(duì)混凝土構(gòu)件及鋼構(gòu)件有很大的影響，是監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。崇啟大橋主橋?yàn)殇撨B續(xù)梁橋，更需要監(jiān)測(cè)鋼箱梁內(nèi)的溫濕度。
（3）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)
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)的疲勞損傷的累積結(jié)果，而橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷主要是由于動(dòng)荷載作用下的交變應(yīng)力作用的結(jié)果。崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋主橋主梁及主墩各部位在風(fēng)、交通、地震等作用下引起的振動(dòng)加速度響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性，為橋梁結(jié)構(gòu)整體健康狀況評(píng)估、驗(yàn)證大橋設(shè)計(jì)理論及運(yùn)營管理提供依據(jù)。
?。?）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)
應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目的是了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。
?。?）支座、伸縮縫位移監(jiān)測(cè)
崇啟大橋主橋中間墩采用墩梁固結(jié)，其他墩設(shè)置縱向滑動(dòng)支座。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主橋主梁的縱、橫向位移，為評(píng)估風(fēng)荷載、船撞、地震、交通對(duì)主梁的作用提供依據(jù)。同時(shí)橋梁進(jìn)入運(yùn)營階段，伸縮縫是易于損壞的構(gòu)件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伸縮縫處的位移，能夠了解伸縮縫處變化情況。由于主橋主梁是一個(gè)整體，為提高效率節(jié)省資源，支座位移與伸縮縫位移合并監(jiān)測(cè)。
?。?）撓度監(jiān)測(cè)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的主梁幾何線形及其變化，研究撓度變化與環(huán)境變化（風(fēng)、溫度、交通荷載）的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供資料。
?。?）體外索索力監(jiān)測(cè)
崇啟大橋引橋水中段采用預(yù)制節(jié)段整跨拼裝50米連續(xù)梁橋，其體外預(yù)應(yīng)力束工作狀態(tài)使其正常使用的關(guān)鍵所在，通過加速度傳感器使用振動(dòng)法測(cè)量索力能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出體外索索力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握體外索拉力情況，為評(píng)估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)目的。
2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元（工作外站）和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件組成。
2.3 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，中央數(shù)據(jù)庫采用Oracle，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
2.4 結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)
崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)目前主要分為綜合評(píng)估以及監(jiān)測(cè)評(píng)估兩部分。綜合評(píng)估主要是對(duì)大橋日常人工養(yǎng)護(hù)所提供的數(shù)據(jù)并且結(jié)合實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGT H21-2011）進(jìn)行相應(yīng)評(píng)估打分，最后以分?jǐn)?shù)形式表示橋梁養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。
“崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)評(píng)估”通過對(duì)大橋的風(fēng)荷載、大氣溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度、撓度、支座位移、體外索索力、地震船撞、應(yīng)變等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算最終以百分制的分?jǐn)?shù)形式直觀提供給用戶。
3 結(jié)語
崇啟大橋根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估。目前，該系統(tǒng)已運(yùn)行一年多時(shí)間，在運(yùn)行期間，運(yùn)營單位定期對(duì)系統(tǒng)、外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行分析、檢測(cè)及維護(hù)，按月出具崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)月報(bào)，為崇啟大橋提供了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表明了系統(tǒng)的合理性、可行性和大橋的安全可靠性。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及土木工程、力學(xué)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)、通信等多門學(xué)科，隨著系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高、完善和研究?jī)?nèi)容的不斷深化，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度將不斷提高，最終可以實(shí)現(xiàn)一整套完善的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)，從而提高橋梁運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)安全。
