智能監測系統在某斜拉橋健康監測中的應用研究

譚雪芹

摘要：橋梁健康監測的智能化、實時化對于橋梁尤其是大型橋梁的健康安全評價起到了較大的促進作用。基于斜拉橋-甘竹溪特大橋的健康狀況及評價要求，文章對于監測內容進行了詳細分析，然后對于實現監測內容的集成方案進行了詳細分析，最后針對系統集成方案從中心數據庫、不同子系統和軟件集成方面進行了詳細的介紹，本文研究對于未來斜拉橋的智能健康監測系統的設計和運營提供一定的理論和工程應用，對于智能健康監測系統的推廣起到了一定的促進作用。

【關鍵詞】斜拉橋；健康監測；智能監測系統；應用研究

鑒于橋梁在全壽命運行周期范圍內，受到環境、交通荷載、溫度荷載和其他各種荷載的作用影響，使得橋梁結構材料性能發生部分退化，造成疲勞效應積累，甚至造成結構破壞的嚴重事故，從而造成結構抗力降低，對于結構的正常安全服役造成較大影響，甚至影響結構安全。針對橋梁服役狀況的健康監測，即在橋梁結構關鍵位置布置傳感器，實現橋梁主要構件的自動化監測，實施獲得橋梁結構承擔的荷載和相應響應信息，結合環境因子、荷載和結構靜動力響應，通過綜合分析即可了解結構的安全狀態，對于橋梁服役狀態進行評價和對于危險狀態進行預警分析，實現橋梁結構的實時在線分析，對于工程未來的養護、維修和管理提供一定的指導狀態。查閱當前文獻，對于對于橋梁結構狀態的評價多采取撓度、應力檢測，監測數據相對單一，無法實現橋梁結構狀態的全面了解，因此本文分析了甘竹溪特大橋的工程概況和技術狀況，并針對當前檢測情況進行了現場監測的必要性分析，然后對于項目工程的監測內容進行了針對性分析，并對于智能監測系統的集成方案進行了詳細分析，最后從系統集成方案的實現從中心數據庫、子數據庫和軟件集成技術方面進行了詳細描述，本文研究對于運營期的橋梁的養護和結構安全評價提供必要的技術支持。

1.工程概況及技術狀況分析

1.1工程概況

甘竹溪特大橋為跨越甘竹溪的一座特大型斜拉橋，其跨徑布置為（50 +115 +210）m公路-I級，橋面六車道布置，總寬38.7m。通航等級為內河Ⅳ級航道，橋梁一跨過河，主墩落在河灘上，水中不存在墩結構，橋下通航凈寬150.0 m，凈高8.0 m。

1.2結構技術概況

查閱設計資料，項目工程結構主要技術狀況如下所述：

1.2.1主梁構造。主梁結構為預應力砼箱梁，混凝土標號為C55，箱梁為單箱三室結構，中心線處梁高2.8m，高跨比為1：80，高寬比1：13.82，寬跨比1：5.43。

1.2.2塔構造。橋梁主塔為豎向雙柱結構，且其端截面為矩形；斜拉索固定在塔壁中心，塔頂錨固區由環形預應力鋼絞線組成；主塔總高度為116.542 m，高跨比為1：2.07。

1.2.3斜拉索構造。本產品為PE（FD）7-139-PES（FD）7-265規格雙HDPE電纜，保護低應力半平行熱浸鍍鋅電纜。這座橋上有66對纜索。標準的縱向梁電纜間距是6m，錨孔部分的跨度是減少到3m，塔上的標準垂直電纜間距是2m，斜拉橋平面平行，兩架電纜之間的橫向間距是36.3m。

2. 針對性監測內容分析

根據甘竹溪特大橋安全監測系統功能定位，結合甘竹溪特大橋的橋梁概況和技術現狀，對于橋梁的健康安全監測內容如下：

2.1防船撞預警

甘竹溪特大橋單跨跨越甘竹溪河道，水中無墩柱結構，不存在橋墩防撞需求，通航標準為內河IV級，橋下通航凈寬150.0m，凈高8.0m，滿足《內河通航標準》要求。

2.2主梁撓度及基礎不均勻沉降

主梁撓度及基礎沉降能夠直觀的反映大橋的工作狀態及適用性，較大的變形一定程度上影響行車的安全性，橋梁結構異常變形可能導致橋梁結構的受力不利，且通過監測變形可以了解橋梁是否處于帶損傷工作狀態，是評估橋梁健康狀態的重要指標。

2.3結構應力

除了結構體系引起高應力區域外，本橋梁構造特點在相應部位出現應力集中現象；同時長期交通荷載和環境動荷載的作用下結構的疲勞問題尤顯突出，應對直接承受動荷載作用和關鍵受力構件的疲勞性能予以重點關注。

2.4環境溫度

溫度，尤其是截面溫度梯度，對大跨度橋梁結構的變形和應力狀態有很大的影響。由于大型橋梁結構各部分材料、尺寸和結構形式的不同，環境溫度和日照的變化將導致整個橋梁的溫度分布復雜。

2.5結構動態特性

當結構整體性能發生變化時，其動態特征參數（如頻率、振型等）也會隨之變化，可作為結構健康狀態的“指紋”。對于結構模態參數的技術分析，能夠對于橋梁剛度和邊界條件有充分的了解。

2.6索力

作為斜拉橋的主要傳力構件，斜拉索起到承上啟下的作用，對上承載主梁結構、鋪裝等荷載作用和汽車等活載作用，然后傳遞給主塔結構。

3.智能監測系統集成方案分析

3.1智能健康監測系統功能分析

根據實際橋梁情況和監測要求分析，智能健康監測系統包括智能傳感器子系統、數據采集處理與傳輸子系統、損傷識別與模型修正子系統、安全評估子系統和數據管理子系統。對于智能健康監測系統而言，數據庫系統是數據管理子系統的核心，且其儲存的橋梁施工信息、幾何信息、監測信息和結構數據分析是橋梁監測系統數據分析的核心，能夠有限實現智能監測系統的數據管理功能，數據管理系統及其各子系統之間的關系如圖1所示。

3.2健康監測系統集成方案分析

鑒于智能監測系統由許多子系統和實現子系統功能的軟硬件組成，因此實現不同子系統之間的物理、邏輯和相關功能，實現信息資源的貢獻、維護及管理的自動化，是系統集成實現的目的；關于系統集成，其目標如下：（1）實現對于不同子系統的控制和管理，同時實現對于子系統的界面管理，方便用戶操作；（2）開放式數據結構，能夠有效實現信息資源共享。系統集成方案為子系統建立統一的數據開放平臺，供不同子系統自由選擇平臺內的數據，充分實現子系統的設計功能。

4.系統集成方案的軟件實現

4.1中心數據庫方案

鑒于中心數據庫的建立主要是為了橋梁結構和狀態信息的存儲，作為橋梁監測系統的核心結構，需要滿足以下功能：

有組織、動態存儲橋梁結構和狀態數據，供多用戶訪問；同時實現不同狀態和不同部位數據共享、交叉訪問，實現應用程序之間的相對獨立和聯合，同時對于網絡上層與管理系統網絡之間的連接作用得到充分發揮。

實現動態實時數據的快速存儲，這是因為對于中心數據庫的數據狀態，均隨著監測對象動態變化而發生變化。

作為一個平臺，中心數據庫需要實現不同功能模塊數據傳輸、交換和共享。

4.2各子系統及其軟件方案

4.2.1數據采集子系統及其軟件。鑒于健康監測系統能夠實現實時監測需求，因此在采集數存在異常時，系統需要實現調用和觸動相關模塊工作的作用，因此數據采集子系統需要能夠觸發其他軟件，實現數據共享和實時分析。

當前，存在多種平臺供數據采集軟件應用。對于數據采集軟件編程，從最初C語言、Visual Basic 和Visual C++語言，逐步發展到當前的可視化編程語言，成為當前領先的數據采集、監控和分析平臺。本項目子系統軟件開發平臺選擇LabWindows/LabVIEW。

4.2.2損傷識別、模型修正與結構安全評定子系統。建立智能監測系統的目的是為了實現橋梁結構的健康運營的實時評價和預警，對于未來橋梁結構的運營和維護提供基礎數據，因此應針對所有監測數據進行分析，如橋梁結構承擔的荷載和相應的響應信息進行分析。

利用MATLAB開發損傷識別軟件，鑒于損傷數據的針對性，因此應提前建立橋梁損傷結構的數據庫，將損傷識別結果提前儲存于中心數據庫。

針對結構的模型修正，可以分為基于全局采集信息的數據更新和基于局部數據的模型更新，通過進行數據庫分析，可以得到結構的動力相應以及局部的應力響應結果。通過整體和局部的有限元修正，可以將計算結果與實測結果之間的誤差降到最低，上述功能可以通過MIDAS、ANSYS和MATLAB等相關軟件實現。

4.3軟件集成技術

針對智能監測系統的軟件集成，需要實現以下兩個方面：一方面是系統間接口、調用和相關觸發機制，另一方面則是軟件與數據庫實現相關的接口和通信功能。根據實際情況，設置一定的閾值可以實現MATLAB對于相關子程序的調用。當采集器采集到的信號值與閾值進行對比分析時，誤差超過相關閾值時，則應調用MATLAB進行損傷的相關分析。

當識別結構產生損傷時，則調用有限元分析軟件如ANSYS或MIDAS進行結構的承載能力分析，通過批處理方法執行相應的命令流，從而實現對于結構的模型修正分析。

關于不同子系統與數據庫之間的通訊，可以通過調用MATLAB的數據工具箱實現。針對智能監測系統中的模態和損傷識別程序，可以從數據庫中讀取原始數據，通過與實時監測數據進行對比，從而實現對于橋梁健康狀況的實時評價，相關通信流程如圖2所示。

5.結束語

在建立橋梁結構安全的監測、診斷、評估和維護管理的智能健康監測系統的基礎上，本文針對甘竹溪特大橋的技術狀況，分析了智能監測系統的特點、工作機理和軟件實現流程，實現了對于斜拉橋健康狀況的實時在線監測。鑒于橋梁健康監測系統設計方面較為廣泛，如結構分析、力學分析、傳感器監測書、計算機通信和數據管理問題，目前雖然能夠實現一定的功能，但對于傳感器優化布置、結構狀態識別、結構損傷和安全評估方面還有待進一步的研究，希望隨著未來科學技術的進步，相關技術難題會進一步得到解決，對于橋梁的健康服役狀況進行較為恰當的評價。

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