城市級橋梁群結構監測研究★

沃曉楠 郭書峰

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

1 概述

城市橋梁指城市范圍內，修建在河道上的橋梁和道路與道路立交、道路跨越鐵路的立交橋。近年，城市橋梁建設速度突飛猛進，數量眾多，橋梁形式和構造各異，橋梁分布區域廣，城市橋梁集群在為社會經濟發展發揮積極作用的同時，其安全監管工作面臨著日益嚴峻的挑戰。

為更好地做好城市橋梁群的監管、養護工作，研究城市級橋梁群監測，利用橋梁結構計算、計算機信息技術、傳感測試、信號分析、自動控制、移動通信、結構有限元分析、構件巡檢管理等多專業跨行業技術融合，為城市橋梁建立數字化、信息化的“橋梁電子檔案”[1]，服務于城市橋梁的百年服役期。

2 城市級橋梁群監測平臺構建

2.1 總體架構

平臺架構按照空間布局分為內場監測中心和外場橋梁現場，內場主要功能是實現健康監測、安全報警、狀態評估和實時監控，外場由一系列橋梁群上采集器組成。監測中心與現場設備之間通過專用的遠程傳輸模塊通信，從而實現了內外場的互聯互通，監測中心由橋梁監測管理服務器集群組成，實現實時數據的采集、傳輸、處理、計算和顯示。監測中心能夠根據各橋上傳到平臺的監測數據綜合判別每個橋梁的安全使用狀況，一旦遇到超限荷載或極端環境能及時激發報警，將訊息快速傳遞給大橋管理者，后者及時采取橋梁應急管理措施，服務于管養，見圖1。

2.2 網絡形式

外場橋梁監測系統與監測中心通過虛擬專網VPN連接，橋群中的每座橋均有一條VPN鏈路，監測中心有一條匯總數據VPN鏈路，每座橋梁現場由光纖數據冗余環網構成局域網，見圖2。

2.3 軟件架構設計

本系統基于GIS平臺和分布式數據庫管理技術，建立一個三層C/S和B/S混合結構的城市級橋群結構監測系統。利用通訊光纜傳輸網絡作為信息傳輸平臺，將結構現場監測站和監測中心有機地鏈接為一個分布式的整體。遠程客戶端可以直接從采集服務器處獲取數據，無需經過數據存儲過程，而且多個數據采集服務器可并行提供實時數據傳輸。整個系統利用GIS實現空間信息和非空間信息的集成，用于存貯、顯示、查詢、分析和表示各種與結構健康相關聯的信息，真正滿足整個系統數字化、高資源利用效率以及可持續發展的要求，見圖3。

2.4 軟件功能設計

系統的總體業務功能由各個子系統分工協作實現，通過系統總體業務功能圖，可以明確軟件系統的業務工作流程，滿足用戶對系統業務邏輯的要求。實時監測數據通過數據采集、預處理、存儲數據庫和數據文件方式保存實時監測數據；對收集的各種數據，采用預警評估處理方法和數據后處理方法，計算預警評估信息，最終向用戶提供實時監測與預警、數據查詢與統計和系統運行狀態監控等模塊，實現用戶對各種監測數據的使用以及系統維護方面的需求，見圖4。

系統平臺由地理信息系統、用戶權限管理、設備管理、后臺管理、健康監測與安全預警子系統和交通實時監控子系統構成。1)用戶權 限管理負責控制整個平臺的用戶訪問權限；2)設備管理功能相對獨立；3)后臺管理功能負責平臺的異常信息報警管理和信息發布以及健康監測與安全預警子系統的參數設置功能；4)健康監測與安全預警子系統為平臺提供監測和預警的實時數據，為地理信息系統提供實時監測數據；5)交通實時監控子系統為平臺提供車載和視頻數據；6)地理信息系統作為平臺的一個入口顯示地理信息數據及某些三維橋梁模型的展示，在模型上提供實時監測數據的展示及其他模塊跳轉的功能。

2.5 數據同步

本平臺的數據分析等對時間同步有較高的要求，例如GNSS數據和撓度數據進行時域對比時需要進行絕對時間同步，因此需在監測中心統一設置網絡時鐘服務器，作為精確時鐘源，提供本網絡的授時服務。網絡時鐘服務器內置GNSS 接收機模塊，接收GNSS信號輸出的時間為基準并提供NTP，SNTP時鐘協議服務。本系統時間顯示統一采用北京時區時間，24小時制式。

系統中的LINUX/UNIX/Windows Server 2012操作系統服務器，Windows 7操作系統工作站等同步協議采用NTP協議，在各個數據庫服務器和應用服務器上安裝時鐘同步軟件與時鐘服務器進行同步；系統中采用LINUX，UNIX，SUN SOLARIS，IBM AIX等操作系統的路由器及交換機等也進行時鐘同步。

通過IEEE1588 和NTP/SNTP時鐘同步方案，自動與GNSS標準時間校對實現10 μs以內同步精度，滿足實時同步采集要求，見圖5。

3 系統實現

3.1 系統界面

用戶界面主要實現Web端實時監測界面的顯示，主要分為監測總覽界面、實時預警界面及各實時監測項界面。

在單個橋梁的健康監測界面，根據各橋具體監測項目的不同特點劃分不同的監測單元，監測單元主要包括：溫濕度監測項、風荷載監測項、位移監測項、傾斜監測項、應變監測項、結構動力及振動監測項、溫度場監測項、GNSS監測項、車軸車速儀監測項等，見圖6，圖7。

3.2 數據分析

橋梁監測數據的分析可以分為一級評估、二級評估兩個方面[2]。本文以慶豐橋為例首先結合規范[2]進行一、二級評估工作，監測數據見圖8～圖10。

除了規范規定的評價方法之外，本文還提出了一些反映橋梁綜合性能的指標。下面以慶豐橋的振動舒適性示例。

評價橋面振動舒適性，主要是考慮主梁在車輛荷載作用下的豎向振動加速度。主梁豎向加速度監測數據報表如圖11所示。

按Sperling舒適度指標進行振動舒適性評價。Sperling舒適度指標是我國鐵道車輛乘坐舒適度評價指標，適用于頻率0.5 Hz～20 Hz的豎向振動或0.5 Hz～26 Hz的橫向振動，指標值按下式[3,4]計算：

其中，a為振動加速度，cm/s2；f為振動頻率，Hz；F(f)為與振動頻率有關的修正系數，Sperling評價指標的頻率加權系數因振動方向不同而不同，對豎向振動當頻率在0.5 Hz～5.9 Hz時為0.325乘以頻率的平方。由于慶豐橋振動頻率很低，對小于0.5 Hz時此處偏安全地取頻率加權系數為0.325×0.52=0.081 3,見表1。

表1 Sperling指標舒適度評定等級

本次渦振的結果如表2所示。

表2 Sperling指標舒適度評價結果

評估結果表明，慶豐橋振動不會產生不舒適。

4 結語

本文根據城市橋梁群特點，構建了一套城市級橋梁群監測管理平臺。通過對監測平臺采集和存儲的數據進行分析，分析結果表明構建的監測平臺能實現城市級橋梁群監測數據的有效性、實時性和同步性。以寧波市橋梁群結構監測為例，闡述了監測系統的功能實現，并以慶豐橋為例詳細的介紹了結構監測的數據分析。