過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王磊

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波315042)

過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王磊

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波315042)

介紹過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和硬軟件設(shè)備及其實(shí)現(xiàn)，并分析該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在成橋試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)中監(jiān)測(cè)的過(guò)橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。結(jié)果表明，該過(guò)橋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)功能，為類(lèi)似的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。

健康監(jiān)測(cè);鋼橋;安全評(píng)估

一、引 言

根據(jù)某大型鋼鐵廠(chǎng)粗軋技術(shù)改造工程設(shè)計(jì)方案，某軋機(jī)出口至下游約26 m之間現(xiàn)有輥道需架設(shè)鋼過(guò)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，以便在不停產(chǎn)情況下進(jìn)行新粗軋機(jī)基礎(chǔ)施工。為了確保過(guò)橋安裝完至粗軋改造第一次停機(jī)期間的生產(chǎn)安全，筆者完成了對(duì)過(guò)橋結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)和工作期間的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。過(guò)橋結(jié)構(gòu)主要由上部橋架和下部軋機(jī)輥道過(guò)橋兩大部分組成，該過(guò)橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某橋左端部分立體結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及廠(chǎng)方要求，過(guò)橋結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)考慮了橋架結(jié)構(gòu)的兩種架設(shè)方案：第1種方案為下部基礎(chǔ)全部開(kāi)挖，輥道設(shè)備全部落于過(guò)橋結(jié)構(gòu)上;第2種方案是1～10號(hào)輥道設(shè)備的混凝土基礎(chǔ)不破除，其他輥道設(shè)備基礎(chǔ)破除并將其落于過(guò)橋結(jié)構(gòu)上。本文最后采用了第2種方案。

由于過(guò)橋結(jié)構(gòu)及輥道設(shè)備在軋機(jī)輥道正常工作時(shí)，板坯在輥道上運(yùn)行會(huì)對(duì)過(guò)橋結(jié)構(gòu)和輥道設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，為了把握過(guò)橋結(jié)構(gòu)的工作狀況，評(píng)估其結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用的可靠性，本文設(shè)計(jì)了該過(guò)橋結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便對(duì)過(guò)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或定期檢測(cè)。

二、測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)實(shí)施

橋架結(jié)構(gòu)的受力和變形較大的構(gòu)件，如中部?jī)蓚?cè)的立柱結(jié)構(gòu)及其附近的構(gòu)件，兩端支承柱及其加勁板都將作為健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。圖1所示為某橋左端部分的立體結(jié)構(gòu)，橋架結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)橋架結(jié)構(gòu)的整體工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及對(duì)橋架結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位損傷狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的響應(yīng)內(nèi)容主要為應(yīng)變、加速度和位移，各測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示。

圖2 某過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)的布置圖

1.橋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)橋架結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的目的在于，分析橋架結(jié)構(gòu)主要受力桿件的內(nèi)力分布及板坯運(yùn)行載荷激勵(lì)下的響應(yīng)，為橋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)預(yù)警、損傷預(yù)警、承載能力評(píng)估、可靠度評(píng)估等提供依據(jù)。

橋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)是在構(gòu)件截面布置電阻應(yīng)變傳感器，連續(xù)地測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變時(shí)程。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)主要布置在橋架結(jié)構(gòu)中部?jī)蓚?cè)的立柱結(jié)構(gòu)及其附近的構(gòu)件，兩端支承柱及其加勁板，連接架斜承等部位，如圖2所示。應(yīng)變片采用標(biāo)距為2 cm× 3 cm的膠基應(yīng)變片，應(yīng)變采集儀器則采用的是東華DH5935型動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集分析儀。

2.橋架結(jié)構(gòu)加速度監(jiān)測(cè)

橋架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往與引起其整體振動(dòng)的強(qiáng)振源相聯(lián)系，而橋架結(jié)構(gòu)所受到的主要強(qiáng)振源是板坯在輥道上運(yùn)行時(shí)引起的振動(dòng)。因此，通過(guò)對(duì)橋架結(jié)構(gòu)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，不但可以識(shí)別橋架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋架結(jié)構(gòu)承受板坯運(yùn)行荷載歷程的響應(yīng)記錄。

在板坯運(yùn)行荷載激勵(lì)作用下對(duì)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)橋架結(jié)構(gòu)的豎向、順橋向及橫橋向的振動(dòng)。因此，根據(jù)振動(dòng)的特點(diǎn)，在橋架結(jié)構(gòu)的主梁上布置了5個(gè)加速度傳感器。主要測(cè)試儀器設(shè)備包括941型壓電式加速度傳感器、TS5859A振動(dòng)放大器和安正CRAS振動(dòng)采集分析儀器。

3.橋架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)監(jiān)測(cè)

利用橋架結(jié)構(gòu)在板坯運(yùn)行荷載時(shí)動(dòng)態(tài)位移的測(cè)試數(shù)據(jù)不但可以了解橋架結(jié)構(gòu)的整體性能，還可以修正分析計(jì)算中的動(dòng)力放大系數(shù)，并且下橫梁兩端的測(cè)量位移差值也是設(shè)計(jì)預(yù)警的重要數(shù)據(jù)。

在板坯運(yùn)行荷載激勵(lì)作用下對(duì)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)橋架結(jié)構(gòu)主要部位的動(dòng)態(tài)位移時(shí)程，特別是下橫梁兩端的靜態(tài)位移值。監(jiān)測(cè)方法為在橋架結(jié)構(gòu)的主要位置布置速度傳感器。主要儀器設(shè)備包括941型伺服式速度傳感器、TS5859A振動(dòng)放大器和安正CRAS振動(dòng)采集分析儀器。過(guò)橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。下面介紹部分試驗(yàn)結(jié)果。

1.應(yīng) 變

橋架的應(yīng)變監(jiān)測(cè)的部分結(jié)果如圖4所示。圖4 (a)為某應(yīng)變通道30天內(nèi)的應(yīng)變峰值走勢(shì)圖及其與預(yù)警閾值的關(guān)系，可以看出實(shí)測(cè)應(yīng)變均未超出初設(shè)的預(yù)警閾值，表明結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)良好。從圖4(b)中可以看出，結(jié)構(gòu)的狀態(tài)平穩(wěn)，其中較高的應(yīng)變值是由過(guò)板荷載較大引起的，但其增值不大，因此可以說(shuō)整個(gè)測(cè)試過(guò)程結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)發(fā)生不良狀況。

三、測(cè)點(diǎn)和導(dǎo)線(xiàn)的保護(hù)

由于板坯的溫度比較高，車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)也比較復(fù)雜，如果不在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合適的保護(hù)，將很可能出現(xiàn)應(yīng)變計(jì)的粘貼膠被破壞或者導(dǎo)線(xiàn)被碰斷等狀況，從而導(dǎo)致該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，因此需要對(duì)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行仔細(xì)保護(hù)。其保護(hù)措施包括用防火棉包裹應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線(xiàn)，橋架上的導(dǎo)線(xiàn)集中后再引入工廠(chǎng)地下室的電纜橋架。應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施如圖3所示，主要采用防火棉包裹數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，并在應(yīng)變計(jì)部位纏繞多層防火棉。

圖3 應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施

四、監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了6 個(gè)多月，監(jiān)測(cè)記錄了

圖4 橋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.加速度

監(jiān)測(cè)前期(5月15日)和后期(11月11日)的加速度時(shí)程反應(yīng)如圖5所示。通過(guò)分析前期(5月15日)，中期(8月12日)和后期(11月11日)加速度監(jiān)測(cè)最大值，并與設(shè)計(jì)的安全閾值比較可知，前期、中期和后期的加速度監(jiān)測(cè)最大值分別占安全閾值的20.22%、18.24%、11.87%，由此可認(rèn)為結(jié)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)行期間運(yùn)行良好。

3.位 移

位移監(jiān)測(cè)的前期和后期的部分結(jié)果如圖6所示。根據(jù)前期、中期和后期的位移監(jiān)測(cè)最大值，并與設(shè)計(jì)的安全閾值比較可知，正位移最大值達(dá)到預(yù)警閾值的28.69%，負(fù)位移最大值達(dá)到預(yù)警閾值的11.18%，而且位移峰值差值的最大值達(dá)到位移峰值差值預(yù)警閾值的74.48%，因此結(jié)構(gòu)是安全的。

圖5 橋架沿豎向振動(dòng)的加速度時(shí)程

圖6 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.用位移功率譜分析結(jié)構(gòu)安全性

結(jié)構(gòu)的整體性能改變時(shí)，其模態(tài)參數(shù)(如頻率、振型等)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)對(duì)橋架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以考察橋架結(jié)構(gòu)的安全可靠性。結(jié)構(gòu)頻率是較易測(cè)得的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，據(jù)此作為損傷評(píng)估的依據(jù)簡(jiǎn)單可靠。對(duì)過(guò)橋結(jié)構(gòu)每次測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將實(shí)際各階自振頻率與過(guò)橋最初監(jiān)測(cè)各階自振頻率對(duì)比，用頻率變化平方比判定損傷狀況。

以前期(5月16日)、后期(11月11日)數(shù)據(jù)分析得到的位移功率譜為例，進(jìn)行過(guò)橋結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估。圖7分別為前期和后期的位移功率譜;表1為根據(jù)位移功率譜得到的各自的前三階自振頻率值。將相應(yīng)的頻率變化平方比與事先模型算出的各主要構(gòu)件損傷狀況數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，可以看出直方圖變化程度、變化趨勢(shì)與損傷狀況數(shù)據(jù)庫(kù)中的都不同，因此可以得知此次過(guò)橋結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，進(jìn)而得知結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況良好。

圖7 位移功率譜

表1 前期和后期結(jié)構(gòu)頻率的變化

五、結(jié)束語(yǔ)

本文研究了某大型鋼鐵廠(chǎng)過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，介紹了該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、各硬件設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，并且分析了該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)中監(jiān)測(cè)過(guò)橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。分析表明，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的某粗軋過(guò)橋結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)功能。該大型鋼鐵廠(chǎng)過(guò)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行為過(guò)橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)定方法提供了數(shù)據(jù)，為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施積累了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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Design and Implementation of Health Monitoring System for Cross-over Bridge

WANG Lei

0494-0911(2012)09-0065-03

P25

B

2011-09-13

王磊( 1977—) ，男，吉林輝南人，高級(jí)工程師，主要從事工程測(cè)量及GIS 開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面的工作。