基于健康監測系統的橋梁船撞報警指標研究與應用

徐一超，張宇峰

(1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 引 言

隨著社會經濟的發展，我國在大江河海上修建了大量的以懸索橋、斜拉橋為主要形式的長大橋梁以跨江越海，其對于加強物流、促進區域經濟發展起到了重要作用；但作為跨越航道的建筑物，其對航運無疑會造成一定阻礙，而且水路運輸的發展使得通航船舶也正變得越來越大、越來越快、越來越多。國際橋梁及結構工程協會(IABSE)的調查研究表明：盡管科技的進步使船舶的裝備水平、安全監督管理水平以及橋梁的建設與管理水平等都有了長足的進步，但船撞橋事故歷年來仍不斷發生，并且20世紀80年代以來事故次數甚至還呈增長態勢。

從船舶撞擊橋梁引起的后果來看，其嚴重時可能引起橋梁垮塌，如據D.W.Smith對1847～1975年世界各地發生的143例橋梁垮塌事故原因的統計表明，船舶撞擊是導致各類橋梁垮塌事故的第三大因素。但更多時候，船舶的撞擊只是使橋梁受損而非垮塌，如武漢長江大橋1957年建成至1999年，40年間被撞70余次；潤揚長江公路大橋北汊斜拉橋在2008年4月25日發生一次船撞主梁事故；主跨1 385 m的江陰長江公路大橋，在2005年6月2日、2009年5月28日分別發生了兩次船撞主梁事故。此類事件發生時有必要及時檢測船撞造成的損傷、及時判定是否需要限制橋上交通、及時整修維護，及時追查肇事船只。但是資料亦顯示，有多起船撞事故是在撞擊發生后數小時，甚至數天后才被發現，這不僅使得橋梁管理單位對于肇事船只的追償工作變得困難，而且使得這段時間內橋梁上車輛通行存在很大的風險。

目前，大量大型橋梁上均建有結構健康監測系統，以對橋梁運營時的結構狀態進行監測，如何利用這一系統，在大風、船撞等特殊事件發生時實時報警、區分事件類型、追責肇事船只、提示檢修維護，對于長大橋梁運營管理者具有非常重要的現實意義。

2 報警指標選取

從船撞報警信號源來看，撞擊一定會造成橋梁橫橋向振動，因此采用布設在主體結構上的橫向加速度傳感器信號來做船撞報警似乎是一很好選擇，但分析同時也發現，由于懸索橋整體剛度較低，其在大風或車輛荷載激勵作用下，有時也會產生較大的橫向激振。如在2005年6月2日20∶00～21∶00，江陰長江公路大橋主梁1/8截面(撞擊點附近)橫向加速度傳感器AD5 cL就記錄到峰值明顯超過0.02 g的加速度響應6次，其中1次為船撞信號，另5次為車激或風激振動(見圖1)。由于大風或車輛荷載激勵作用下的橫向加速度激振信號經常性出現，且其峰值一般也都處于船撞引起的激振信號同一量級，甚至更大，這就造成期望以常規考慮的結構橫向加速度信號作為船撞報警信號將造成計算量龐大、信號分離難度大、自動識別困難等一系列問題，因此并非最理想的船撞報警信號源。

圖1 江陰長江公路大橋主梁AD5 cL橫向加速度傳感器信號記錄(2005年6月2日20∶00～21∶00)

考慮到船撞作為突發性事件，能量的傳遞存在瞬時性，因此傳感器對撞擊信號的體現也存在短暫性，具體表現為在某一時刻突然出現信號突變，然后迅速衰減至正常狀態。因此可將以下三點作為船撞信號的特征指標。

(1)特征指標A：梁端水平轉角幅值

船撞能量大小可以其引起兩個梁端水平轉角幅值的大小來直觀反映，因此選取梁端水平轉角幅值船撞主梁特征指標A。

(2)特征指標B：啟動報警后首個振動周期梁端水平轉角峰谷值

船撞引起的大橋主梁橫橋向是一個典型的沖擊衰減過程，其特征表現為其水平轉角值在船撞發生后將突然增大，而后在往復振動中逐漸衰減(當然，由于可能存在多次碰撞，故其也可能其第一對峰谷值并非在撞擊事件全時段內的幅值最大或最小點，其可能存在在前幾個周期振動中其水平轉角峰谷值大小維持不變甚至略有增大，而后再逐漸衰減)；而車激振動與風激振動一般都是在一定時段內的密集多次激勵，故是梁端水平轉角峰值往往在一次事件中逐漸增大，再逐漸減小，其啟動報警后首個峰值往往較低。因此，可以選取啟動報警后首個振動周期的梁端水平轉角峰谷值大小作為船撞主梁特征指標B。

(3)特征指標C：對應橫橋向1階頻率的梁端水平轉角信號自功率譜密度幅值

從對于振動進行振型分解的角度來看，任何一個振動都可以分解為一系列基本振型的疊加，因此梁端水平轉角自功率譜密度函數中各階頻率所對應的幅值大小原則上可反映在分析時段中，該頻率所對應振型對所分析振動形態的參與度高低。根據江陰長江大橋實測數據的分析表明：在大風及船撞作用下，橋梁橫橋向振動中1階振型參與度較高，其對應橫橋向1階頻率的梁端水平轉角信號自功率譜密度幅值較高，而其他時刻這一特征則不明顯，因此選取對應橫橋向1階頻率的梁端水平轉角信號自功率譜密度幅值為船撞主梁特征指標C。

3 實橋驗證

采用江陰長江公路大橋北伸縮縫位移計組實測數據對上述方法進行驗證，數據采樣頻率fs=50 Hz，通過分析江陰長江公路大橋船撞、臺風等異常事件實測數據特征知，主梁橫向1階自振頻率f1≈0.053 Hz，自振周期T1≈18.9 s。

定義梁端水平轉角為R，則

(1)

式中：R—梁端水平轉角(°)；Ds1和Ds2—伸縮縫兩端位移傳感器所在測點的位移；L—兩個位移傳感器之間的距離。

3.1 算法步驟

(1)數據預處理。計算同側梁端位移計位移差，并采用自動野值剔除算法和消趨勢算法，消除數據中的趨勢項，得到數據序列{Ro};

R=Ds1-Ds2

(2)

(2)檢索幅值超限時段數據。做序列{Rm}的包絡線，取窗口時長為橫向1階自振動周期的3～4倍，取上下包絡線差值和e作為幅度值用以檢索，取2倍移動平均值2e為閾值，判斷出超限數據塊并合并時間鄰近的數據塊，得到幅值超標時段數據序列組{Rm}i。

(3)檢索符合首周期峰谷特征數據。對每個幅值超標數據序列{Ra}，檢索|Ra|>0.002開始的20 s內(保證包含一個完整周期)的最大值Ra1 max最小值Ra1 min，所有Ra1 max>0.006且Ra1 min<-0.006的數據序列{Ra}集合記為{Rb}j。

(4)船撞數據報警。對每個數據序列{Rb}，對每個時間窗進行頻譜分析，取閾值Pt=10，Pm>Pt時將|Ra|>0.002所在時間作為船撞響應開始時間報警，輸出該報警數據序列，合并鄰近報警數據序列為{Rc}。

一般地，上述算法可在船撞發生后的一個窗口時長范圍內報警，提醒橋梁運營管理人員啟動有關應急事宜。以1 min為時間窗口重復上述步驟，實驗結果表明報警時延小于1 min，完全滿足實時報警需要。

3.2 歷史實測數據仿真結果

對江陰長江大橋2005～2009年五個整年的數據分析表明，單純采用特征指標A作為報警指標將產生9 240次報警(其將造成報警而非船撞的典型性示例如圖2所示)，如疊加特征指標B，則將產生298次報警(其將造成報警而非船撞的典型性示例如圖3所示)，再次疊加特征指標C作為報警限制條件，則很好地將報警事件鎖定為2005年和2009年的兩次船撞事件(兩次船撞事件中的梁端水平轉角信號如圖4、圖5所示)。

圖2 主梁梁端轉角非船撞報警記錄(2005年8月6日12時，麥莎臺風期間)

圖3 主梁梁端轉角非船撞報警記錄(2007年7月26日5時)

圖4 主梁梁端轉角船撞報警信號(2005年6月2日20時14分29秒船撞響應開始)

圖5 主梁梁端轉角船撞報警信號(2009年5月28日20時14分29秒船撞響應開始)

4 結 論

綜上所述，傳統的期望簡單設置一允許轉角幅值作為船撞報警閾值的方法顯然將帶來大量虛報警，并不可行。本文針對船撞報警這一研究盲區，對比分析不同信號源的數據處理難度，選取伸縮縫位移測值作為報警首選數據源，在對江陰長江公路大橋實測數據實現了船撞報警的基礎上，總結出了基于伸縮縫位移測值的三特征指標長大橋梁船撞報警算法。通過對歷史數據的仿真實驗結果表明，該算法警示準確，報警及時。