橋梁健康監測系統優化研究

2019-08-27 14:43:41沈立中張田湉

裝飾裝修天地 2019年17期

沈立中張田湉

摘? ? 要：橋梁健康監測管理系統是基于傳感系統，信息采集系統、信息處理分析系統及結構分析技術為基礎，集自動監測和安全性評估、分級預警為一體的系統。其主要功能是對橋梁的基本數據進行采集，并通過數據處理分析，綜合評判橋梁運營狀態時結構性能并進行安全等級評估，如若超過安全狀態時系統給出維修意見或緊急處理對策并進入預警狀態，將結構缺損位置及缺損程度等信息通知到養護管理中心，這大大改善了傳統管養的不足之處。而現階段國內橋梁健康監測系統主要存在著以下幾類問題：（1）監測系統布點設置針對性不明確。（2）傳感器類型多，硬件無法全面兼容性。（3）采取獨立式管理系統，無法做到數據聯網式。

關鍵詞：健康監測;系統優化;斜拉橋

1? 系統優化總體目標及設計原則

1.1總體目標

進一步提升橋梁的科學化管理水平，通過整合資源、合理規劃，將自動化監測技術與人工巡檢技術相結合，以構建一個集約高效、技術先進、易于管理、開放兼容、實用經濟、符合橋梁管理需求的現代化、信息化橋梁管理平臺，具體包含以下方面：

（1）為橋梁科學有序的養管工作提供一個綜合管理平臺，建立基于橋梁巡檢養護綜合管理系統（包括電子人工巡檢子系統等）的橋梁全壽命期信息化“檔案”。

（2）建立橋梁安全預警系統，有效地掌控重要橋梁的結構使用狀態及其發展演化趨勢，對橋梁運營期出現的各類異常狀況及時作出診斷、預警，根據需求對橋梁健康狀況進行綜合評估，最終確保橋梁的安全運營。

（3）并針對不同突發性事故，提出應急措施及決策方法，輔助管理單位快速做出應對措施，提高管理水平，并建立橋梁結構狀態數據監控和應急指揮信息的多重發布平臺。

（4）為橋梁科學監測管理提供一個平臺，可對多座重點橋梁進行在線監測集中式管理、對橋梁進行巡檢養護信息化管理及安全預警等綜合管理，可與智慧交通平臺等多部門共享交通信息，進行聯動管理，預留其他重要基礎設施在線監測系統接口，共享監測管理信息，實現交通基礎設施的智能化管理。

1.2? 設計原則

為使橋梁健康監測系統成為一個功能強大并能真正長期用于橋梁養護管理，同時具備經濟效益和高水平的橋梁健康監測與養護管理系統，系統的功能構建遵循如下原則：

（1）強調監測系統的科學性，遵循“簡潔、實用、性能可靠、經濟合理”的原則。

（2）滿足橋梁養護管理和運營維護的需要，同時兼顧考慮科學試驗與設計驗證等方面因素。

（3）根據實際需要，采用實時監測、定期監測及人工檢查相結合的方法。

（4）根據不同類型橋梁易損性分析結果，選擇橋梁易損、重點部位及日常養護無法檢查或檢查非常困難的部位進行實時監測。

（5）監測系統能順應橋梁健康監測的發展方向，具有可擴展性。

1.3? 系統級別分類

按照系統規模、功能的不同大致可分將系統分為三種級別，即全效型、實用型、經濟型。（1）全效型橋梁健康監測系統：一般應用于重要性程度高、結構新穎復雜、橋址環境惡劣的超大跨度橋梁中，其功能不僅是進行橋梁安全監測與評估，更兼有設計驗證和科學研究的功能，因此無論從監測內容、監測方法、儀器選型、自動化程度，都具備較好的先進性和可靠性。（2）經濟型橋梁健康監測系統：一般應用于重要性程度一般、結構較為簡單、跨度不大的中小橋梁，其系統功能主要是進行橋梁安全監測，甚至橋梁綜合評估的功能也可簡單化，因此系統監測內容最少、自動化程度相對較低，組成架構也最簡單。（3）實用型橋梁健康監測系統：介于全效型和經濟型之間，其功能主要以進行橋梁安全監測與評估為主，監測內容相對全效型較少，監測方法和儀器以實用可靠為主。實用型橋梁健康監測系統可獨立成為一個完整的系統，也可由幾個系統共同組成區域集群健康監測平臺。

基于功能與成本費用最優的原則，應在不同類型的橋梁上安裝與其現狀相匹配的橋梁健康監測系統。在確定橋梁健康監測系統的等級時，應主要考慮橋梁結構特點、跨度、技術狀況這三個因素。

2? 利用優化算法修正模型

利用優化算法進行模型修正的機理是：在特定已知的結構輸入參數的前提下，結構系統參數和結構系統響應（輸出）存在確定的映射關系。換言之，在特定輸入下，結構的響應信息是隨結構的系統參數的變化而變化的。基于優化算法的模型修正實質是利用優化算法對結構系統參數的優化求解，得到的結構系統參數的最優化的解，具體步驟如圖1。

3? 傳感器選型

按橋梁結構健康監測系統的監測內容，應選用相應類型的傳感器，選擇的傳感器類型符合表1規定。

4? 溫州大橋健康監測系統優化

4.1? 橋梁概況

溫州大橋主橋為（135+270+135）m雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，于1998年建成通車。設計荷載：汽超20，掛120。斜拉橋采用扇形索面、漂浮體系;主梁斷面為邊箱梁，梁高2.5m，全寬30m。索塔為鋼筋混凝土花瓶形塔柱，全高99.8m，塔柱每側索面有15對斜拉索，梁上索距8m，塔上索距1.8m。主墩基礎為直徑Φ250鉆孔樁。

4.2? 按優化次序建立系統

根據溫州大橋運營狀況，按實用型類型建立一個功能相對齊全并能真正長期用于結構損傷和狀態評估，滿足橋梁養護管理和運營的需要，同時又具經濟實用性的健康監測系統，遵循如下設計原則：（1）遵循總體設計，分步實施的指導思想;（2）系統結合運營養護管理需要及結構易損性分析的結果，以簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的原則進行監測點的布設;（3）監測與結構安全性密切相關內容，主要監測一些有代表性的結構、必須進行監測的重要結構以及日常養護無法檢查或檢查非常困難的結構響應。（4）從動力、靜力、耐久性對結構進行監測，以結構位移監測為主，以索力、應力、模態分析為輔助，力求用最少的傳感器和最小的數據量完成工作;5、系統應具有可擴展性。

監測范圍的選取應遵循傳感器實時監測和人工定期監（檢）測相結合的原則，監測內容能覆蓋結構評估的要求。根據以上原則，考慮到本橋建設過程中的特點并結合大橋近期實際運營狀況對本橋健康監測系統的進行設置

4.3? 監測范圍及內容

4.3.1? 實時監測范圍

4.3.2? 定期監測范圍

4.3.3? 測點位置布設

全橋傳感器布置圖如圖2所示。

4.3.4? 系統功能及硬件總框架

依據總體設計思路及傳感器選型后形成總框架如下：

4.4? 優化后系統建設成果

優化后的溫州大橋健康監測系統，具備重要部件數據實時傳輸及處理、分層次評估、安全分級預警、應急指揮等功能;是綜合性管養平臺，選取部分成果如下：

5? 結束語

本文對橋梁健康監測的優化建議是結合結構理論分析，并對國內外已建設有監測系統的橋梁進行總結歸納，可為其他橋梁監測系統建設提供參考依據。同時以溫州大橋為依托，建立溫州大橋健康監測系統，實現對橋梁結構狀態數據監控及預警、數據評估、應急指揮等功能。