遼河大橋結構健康監測系統數據異常成因分析

劉志群

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110005)

0 引言

結構健康監測技術已在我國公路長大橋梁上推廣應用,為深入挖掘數據價值,充分發揮數據作用,橋梁運營單位相繼開展監測數據的研究。研究中發現監測系統存在諸多“異常數據”,該類“異常數據”是指與產生原因相關性不強、數據發展趨勢發生突然變化、對比前階段數據曲線頻率和波動幅度有較大差別或曲線波動周期發生較大差異的數據[1-2]。對該類數據的分析需要高度重視、分析過濾、檢查核實、區別對待:部分數據是正常的系統反應,無需采取措施,比如主梁撓度監測數據曲線與溫度監測數據曲線的“延遲”“平移”現象[3];部分數據是被監測設施性能衰減導致監測數據曲線“變形”,需要采取一些養護措施,比如伸縮縫位移監測數據因設施配件老化形成無規律曲線;部分數據是被監測設施故障,需要采取應急措施,比如索力監測數據因阻尼器失效出現“新波動周期”[4];部分數據是軟件漏洞、硬件功能缺陷導致“誤報警”[5],需更換監測設備或升級軟件數據過濾功能,比如遼河大橋陸地主塔豎向加速度出現異常報警,而水中主塔相關監測數據正常。

1 系統介紹

遼河大橋結構健康監測系統建設以運營安全為核心、以實用可靠為宗旨、以服務養護為目標,實現狀態合理評價、養護對癥指導、影響快速研判、風險及時報警。系統設計中摒棄大而全的思路,在確保先進性的前提下以實用為出發點,充分考慮大橋自身的環境特點、結構特點、運營特點、運營危險性以及養護管理需求,合理設計總體架構與監測內容,大橋養護決策與安全報警信息的制定與發布也全面考慮大橋自身特點的需求,將服務養護與運營安全作為終極目標。

系統總體架構包括四個結構功能層:數據采集層、數據管理層、評估決策層、應用服務層。其中,數據采集層為底層結構,包括傳感器子系統、采集傳輸子系統;數據管理層和評估決策層為中間層,前者包括數據處理子系統、數據存儲子系統和數據分析子系統,后者包括安全報警子系統、輔助決策子系統和報告報表管理子系統;應用服務層為頂層結構,包括用戶界面子系統。

系統綜合考慮橋梁結構受力特點、橋梁工作環境、大橋養護管理需求以及橋梁危險源等多方面因素,結合當前健康監測系統現狀和橋梁技術狀況,根據現行標準、規范等相關要求,設置環境監測項:橋址區環境溫濕度、主梁內溫濕度、索塔錨固區溫濕度;作用監測項:車輛荷載、風況(橋面風速風向、塔頂風速風向)、結構溫度、地震動;響應監測項:位移(主梁撓度及線形、支座位移、梁端縱向位移、塔梁空間變形)、應變(主梁關鍵截面應變、索塔關鍵截面應變)、斜拉索索力、振動(主梁豎向振動、主梁橫向振動、塔頂水平雙向振動、斜拉索振動)、轉角(梁端水平轉角、梁端豎向轉角)。

在優化系統總體架構與監測內容的同時,充分考慮橋址區域環境特點,基于低溫環境是我國北方橋梁健康監測系統普遍面臨的現實問題,并且低溫作用會造成對傳感器、采集設備、傳輸設備等性能和耐久性影響,降低數據的有效性和系統的使用壽命,在系統建設中優化完善低溫環境下的設備選型策略和設備性能保持策略,形成低溫環境下健康監測系統整體的性能保持技術。

2 監測系統數據異常成因

2.1 溫濕度計數據異常

根據現行規范要求,斜拉橋箱梁和主塔內部都會設置溫濕度傳感器。箱梁內溫濕度數據異常是高概率事件。天氣變化是首要因素,天氣狀況突變會引起此項數據加速變化。反應延遲普遍存在,夏季突然降雨不會讓數據立即產生變化,水汽蒸發、空氣導入、設備感應需要有一個時間過程,延遲的時間因氣溫變化速度與幅度、空氣流通及熱傳導等不同。供電也是引起溫濕度異常的因素之一,斷電導致除濕機不工作(除濕機與健康監測系統電源不一致),空間溫濕度會有明顯變化。除濕機故障會影響監測數據,箱梁內除濕機有多臺,當某一臺出現故障停止工作或工作效率降低,會導致局部區域的溫濕度變化。水密門封閉不好也會導致上述問題,養護作業人員進出箱梁,水密門關閉不好或未關閉,同時,大氣溫濕度與箱梁內溫濕度有明顯差異,導致受影響區域的溫濕度計數據波動。箱梁內有多個穿線孔,因穿線孔出現滲漏水現象(遼河大橋鋼箱梁與穿線管材質不同,受溫差影響,一定時間后結合部會出現焊縫開裂,降水通過裂縫滲入),也會導致附近區域的濕度變化。遼河大橋主跨跨中主梁內濕度環境較為穩定,監測數據波動較小,周期性明顯,主梁外濕度受日照、雨水等作用,監測數據波動劇烈,主梁內外濕度監測數據見圖1。

圖1 主梁內外濕度監測數據

2.2 斜拉索索力監測數據異常

針對在役斜拉橋,其拉索索力通常基于頻率法原理傳感器進行監測,拉索異常振動會導致索力監測數據明顯變化,異常振動產生的原因主要有三種:一是阻尼器失效,粘滯阻尼器漏油、拉桿阻尼器拉桿松動或斷損、阻尼器與拉索結合處握裹不良、阻尼器沖程不足“卡死”等都會導致阻尼器失效或降效,進而表現出監測數據突變;二是外部激勵作用,如脈動風譜所引起的隨機振動和車輛事故或物品碰撞等機械剮蹭,該類異常振動需要現場檢查確認、采取對應措施;三是超重車輛通過。超重車輛偷跑經過時,監測數據顯示豎向加速度振幅明顯變大,再比對同側拉索監測數據,發現監測數據有共性變化。如圖2所示,遼河大橋邊跨上游最長索監測數據部分數據存在較大突變與波動,該類數據異常主要由風荷載等外部激勵作用造成。

圖2 索力監測數據異常

2.3 支座位移計數據異常

支座位移計主要有兩個作用:一是長期對支座的行程進行監測,通過監測數據分析、判斷支座是否接近自然壽命。支座摩阻力的變化會反映到支座行程上,通過位移計數據監測發現支座行程的異常,進而檢查評估支座的壽命。例如滑板損壞,摩擦系數變大,磨阻力激增,支座行程會明顯變小;二是通過支座位移計數據的變化,可以判斷橋面是否存在交通擁堵或支座是否變形等情況。支座位移受溫度變化和活載沖擊產生變化,當支座發生“卡死”現象的時候也會出現數據異常。“卡死”的原因一般有交通擁堵導致磨阻力加大和支座偏心兩種。如圖3所示,為支座位移數據存在短暫水平線型,可見隨溫度等荷載作用,墩梁相對位移所產生的支座變形存在短暫的摩阻力累積現象。

圖3 支座位移監測數據

養護檢查發現支座有異響(某橋曾發生過此類事件),大概率是摩擦產生的。支座安裝錯位、大風扭力導致支座輕微受損變形等會導致支座偏心,支座防塵效果不好、有異物夾入、潤滑劑缺失或性能衰變導致摩擦系數加大,都會導致支座滑動時產生異響。上述現象發生后,需采取適當養護措施予以處置。

2.4 伸縮縫位移監測

伸縮縫受重車通過時候產生的沖擊荷載,以及受溫度影響會產生行程變化。伸縮縫的壽命可以通過系統實現監測、分析判斷。首先通過相關性分析,橋梁兩端伸縮縫位移變化應該是正相關的,如果出現異常,就要分析是哪一端出現問題,通過與歷史數據對比,找到出現問題的那道伸縮縫。對異常的伸縮縫進行表觀檢查,檢查組件外形變化、牢固程度、老化、近期變形發展狀況等,分析它的性能變化趨勢,可初步判斷他的使用壽命,針對性地采取維修或者構配件更換,恢復其正常運行狀態。

2.5 動態稱重系統數據異常

動態稱重系統數據異常最直接的因素就是交通量的變化。新冠疫情期間,遼河大橋上通行車輛監測數據變化明顯。如日常監測到這樣的變化,需要立即對監測點附近監控圖像進行巡檢,及時發現導致交通量變化的原因(交通事故、火災或者其它特情),立即采取措施,預防或減小損失。

3 結論

(1)異常數據應結合監測參數特點與外部作用共同進行分析,確定數據異常成因。

(2)對于監測系統出現的“異常數據”和“誤報警”現象,在系統硬件設備和軟件功能方面應加強分析研究,加強系統對異常數據主動識別、智能分析、自動過濾,以減輕現場核查、排查的工作量,進而大幅提升養護工作效能。