基于健康监测的轨道交通斜拉桥车辆效应测数据分析-中国土木科技网

现代化桥梁管养技术智能监测系统在桥梁运营中的应用田启贤1，2，钟继卫1，2，王 超1，2(1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 ; 2.桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室， 湖北 武汉)摘 要：大型桥梁智能监测系统的成功开发对于桥梁运营、维护及管理决策有着重要的意义。目前已建的监测系统的实际效果还有许多不尽如人意之处，如何有效利用这些监测数据为桥梁管养服务是大家关注的研究难点。通过对已建成的桥梁智能监测系统多传感器类型实测数据的分析，探讨了智能监测系统在提高桥梁管养工作的效率、提升管养科技品质与质量及加强抗灾应急能力方面的应用，为智能监测系统的设计与应用提供有益的工程借鉴，并指出了智能监测技术将来的研究重点。关键词：智能监测；桥梁养护；安全评估；安全预警 1. 前 言近年来，我国大力发展基础建设，交通建设事业取得长足的进步，现代桥梁设计理念和方法逐渐普及，新材料、新工艺在公路工程中广泛应用，大型桥梁结构的跨径越来越大、结构体系越来越复杂、结构越来越轻柔。这些现代化的桥梁在带来优良的结构性能和经济效益的同时，所附带的失事风险也随之增加，事故造成的后果更严重。虽然合理保守的设计和高质量的施工是结构安全的保障，但由于结构体系本身的复杂性、模拟计算分析的近似性、材料特性的不均匀性、施工和构件加工的误差或缺陷，使得实际建成的结构与设计仍有不符。另一方面，由于大型桥梁结构使用期长达几十年甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤累积，结构的强度和刚度随使用年限的增长而降低，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下将引发灾难性的突发事故，不仅会造成重大的人员伤亡和经济损失，而且将产生极坏的社会影响。为全面、实时掌握运营阶段大型桥梁的工作性能，加强大型桥梁的维护工作，进而确保大桥安全正常运营、延长桥梁寿命，各国专家学者开展了现代化的桥梁管养技术的研究与应用，我国自1997年起在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构智能监测系统，如香港青马大桥1，上海东海大桥，江苏江阴长江大桥，浙江钱江四桥，贵州坝凌河大桥，武汉阳逻长江大桥，军山长江大桥等。智能监测系统通过对桥梁结构的无损检测、实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和损伤程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，确保大桥的安全运营2。大型桥梁智能监测系统的成功开发对于桥梁的运营、维护及管理决策都有着重要的意义3，4，然而，目前已建的监测系统的实际效果还有许多不尽如人意之处。由于现有监测技术和费用的限制，要监测与结构退化以及结构安全性相关的所有重要部位是不可能的。另外，在桥梁结构的真实状况和所测得的参数之间尚难以建立令人满意的对应关系，如何以有限的测点尽量获取与结构退化及安全性真正相关的信息，以及如何有效利用这些信息来评估结构状态，指导大桥管理养护，为管养部门所用是大家所关注的研究难点。本文通过对智能监测系统的监测数据的分析，探讨了智能监测系统在提高桥梁管养工作的效率、提升管养科技品质与质量及加强抗灾应急能力方面的应用。2. 提高管养工作的效率2.1快速实现桥梁状态的评估和分析大型桥梁结构的检测，传统的方法主要是定期检测，或是在出现特殊情况时再进行特殊检测。这种方法需要大量人力、物力，存在诸多检查盲点；主观性强，大量结构参数难于量化；需要交通管制、布置传感器测点等，时间少则几天多则十几天，实效性差，影响交通，效率非常低。健康监测系统通过在桥上安装先进、精密的传感器对大桥结构各种关键状态参数、指标进行长期、适时、系统的自动化监测，同时对桥梁在确定时间内的运营状况、变化趋势进行分析，对结构的静力和动力安全性、耐久性和适用性进行评估，可以随时得到桥梁状态真实客观的评估结果，对结构异常状态进行识别，提醒管养人员关注结构运营安全状况，为桥梁的养护维修提供建议，大大提高了管养工作的效率。 2.2及时地发现病害源或异常，有效的指导管养通过智能监测系统实测自动监测和智能评估系统，及时发现结构存在的病害源或结构异常及可能的发展趋势，如结构温湿度变化、结构裂缝产生及发展、伸缩缝变化异常等，对发生的可能威胁到桥梁结构安全状况的情况进行预警，指导管养部门及时做好处理措施。结构内外环境湿度是影响结构的腐蚀、老化的重要因素，也可能是影响自动化监测系统工作的物理量。智能监测系统采用温湿度传感器进行监测，分析结构所处环境的温湿度情况，为桥梁维修养护提供实时有效的指导。图1，2分别是坝陵河大桥东锚下游室内2012年1月8日2月9日环境温湿度监测时程曲线和湿度概率分布结果。图1. 东锚下游温湿度时程曲线图2. 东锚下游湿度概率分布由图可知下游东锚室内温湿度变化趋势明显，温度升高，湿度下降，温度下降，湿度上升，温度范围为7.210.3，湿度范围为40%60%。锚室部分时段湿度临近一级预警值60%，对钢结构防腐较为不利，需要密切关注湿度变化，定期开启抽湿装置。支座是决定结构受力状态的基本条件，其工作正常与否直接关系到大桥结构安全。通过对支座位移监测数据的分析，可以及时发现其是否存在异常情况，指导管养。图3是军山大桥军山侧支座2012年07月22日全天位移实测曲线。图3. 支座全天位移曲线支座实测值可分为温度项和活载项两种效应，温度效应为长期效应，与钢箱梁温度线性相关，活载项为短期效应，其值较小，通常不超过1 cm，可大致忽略。为判断支座性能状况，支座位移与钢箱梁线性回归分析曲线见图4。图4. 军山侧支座位移与温度回归曲线支座位移与钢箱梁温度线性相关系数为0.982，相关性程度较高。实测值与拟合值吻合较好，表明支座处摩擦力较小，支座工作性能良好。支座全天位移曲线通畅，未出现异常值，表明支座运行正常。在桥梁运营过程中，可以实时分析支座位移与温度的线性拟合系数，剔除温度影响，与基准值比较，及时发现支座是否运动正常，是否有阻滞、异物等，为管养提供依据和指导。2.3通过交通监测，辅助超限车管控车辆超载是桥梁安全的隐患，是造成桥梁安全事故最主要的原因之一。通过桥梁的车辆具有一定的规律，而且车辆对桥的损伤往往是多次累计的，智能监测系统采用动态称重系统在不影响交通的情况下，实现对交通流量、行车车速、轴重的实时监测，为建立大桥交通荷载模型、进行结构评估提供依据，同时可对超载超限特殊车辆进行监控统计，辅助桥梁管养部门实现对超限车辆的管控，维护桥梁的安全运营。武汉军山长江大桥智能监测系统在军山侧引桥上安装了6车道动态称重系统，实现对车辆荷载的实时监控。2011年07月22日全天相关监测结果见图5、图6。图5. 各车道车辆数分布图6. 24 h车辆数分布全天以2车道、5车道通过车辆数最多，其余车道通行数较稳定。全天通行车辆最多时段为下午15：0016：00，通行车辆最少时段为0：001：00，全天共有15841辆车通过军山长江大桥。图7为部分车道统计24 h各时刻超限车辆数。图7. 1、2车道24 h超限车分布由上图可知，车道1全天通行超限车分布较平均，7:0010:00及15:0016:00稍多。车道2在11：0017：00通行超限车较多，其余时刻很少。2.4预测损伤和寿命由于桥梁应用材料科学理论发展的不完善、材料本身的缺陷、施工技术、施工方法、施工质量问题、车辆超载等方面的原因，桥梁钢结构因承受车辆加载和卸载而产生交变应力，长期交变应力的作用将使钢结构产生疲劳损伤。当疲劳损伤达到一定程度时，将会威胁桥梁结构的整体安全性。因此，对钢结构进行疲劳损伤评估与寿命预测是国内外研究关注的重点。传统疲劳评估方法对桥梁上的实际交通荷载进行调查和统计分析，建立标准疲劳车，将标准疲劳车在桥上加载得到构件的应力时程，从而实现应力谱的计算5，6。该方法需要现场交通调查，其工作量很大，并且有限元计算较复杂，各种计算假定误差、桥梁振动、车辆偏载的影响需要进行修正，这种模拟很难准确再现随时间变化的桥梁实际的工作状态。桥梁结构智能监测的建立，为结构疲劳损伤和寿命评估提供了新的途径。监测系统通过在实桥上布设的应力测点，直接测定结构疲劳关键部位的应力时程，由此得到的应力谱相对于模拟法来说更为接近实际，并且减少了许多的调查工作。对采集的应力时程数据运用雨流计数法进行统计分析得到标准日应力谱，基于线性累积损伤准则和钢箱梁各连接部位的疲劳强度曲线，对其进行疲劳损伤评估和寿命预测7。军山长江大桥智能监测系统在中跨1/4截面布设了大量应力测点监测钢箱梁疲劳关键部位应力，用于对钢箱梁进行疲劳评估。部分测点预测疲劳累积损伤评估结果如图8所示。图8. 部分测点预测疲劳累积损伤评估结果通过评估分析得出钢箱梁横隔板与U肋连接部位累积损伤度较大，部分测点将发生疲劳破坏，因此，该部位是钢箱梁的疲劳薄弱部位，应重点监测，加强维护。3. 提升管养科技品质与质量3.1全天候记录桥梁主要的状态数据，建立完备的数字化档案智能监测系统通过对环境参数及荷载输入(风速风向、环境温湿度、车辆荷载、地震动及船舶撞击等)，结构静力响应(结构温度、应变、疲劳、索力、主梁挠度、索塔及主梁空间变位、支座位移等)及动力响应(主梁各特征点振动加速度、斜拉索振动加速度)的全天候实时监测，获得了桥梁的荷载、挠度、空间变位、应变、索力、振动等主要状态参数数据，通过对长期监测的数据进行统计分析判断，确定其在一定时间内的统计量，如均值、最值等，实时掌握桥梁结构目前的受力、变形等状况；对静态测试数据进行统计，确定其在一周、一月内的统计量，对系统在确定时间内的运营状况、变化趋势进行评估，建立结构完善的数字化档案，为桥梁的养护管理提供详细完备的电子化资料。图911分别是军山长江大桥2011年9月1日跨中钢箱梁应变实测曲线、主梁线形均值曲线和索力变化曲线。图9. 中跨跨中钢箱梁应变实测曲线图10. 主梁全天线形均值实测曲线图11. 全天索力实测曲线3.2提高桥梁作为交通设施的智能化管理水平智能监测系统通过多类型传感器对桥梁交通流状况及运营环境的监测，为交通运营提供及时有效的信息，提升交通设施的智能化管理水平，对于交通环境和天气条件的提示，如桥上车流量状况、桥上高温大风大雾天气、路面结冰等状况以及超限车的提示，提醒司机采取对策，同时为交管部门提供相应的应对措施，提高交通的安全性，间接地提高了自身安全性。3.3随时远程掌握桥梁的性能和工作状态 智能监测系统的监测与评估软件系统采用扩展B/S+C/S相结合的模式设计，系统24 h连续工作，通过网页的形式实时展现各种监测信息及分析结果，任何桥梁管理人员在任何时间和地方，只要借助Internet网络即可实时查询和访问桥梁的状态信息和报警信息，掌控桥梁运营状况。同时，系统可以通过手机短信报警平台实现实时无线报警监控。报警平台通过与监控中心主机结合使用，一旦监控到桥梁运行出现异常情况时，短信报警器即会将报警信息通过手机短信发送到桥梁管理人员手机上，从而使管理人员在第一时间内了解异常状况，并快速到现场处理，防止灾害的发生或减低损失。同时，通过手机短信查询功能，可以实时了解监测的结构各参数信息，进行阀值报警查询，及异常信息查询。移动手机信号覆盖全国，携带方便，应用广泛，因此可以实现任何人员(anyone)、任何时间(anytime)和任何地方(anywhere)随时远程掌控桥梁的性能和工作状态。4. 加强抗灾应急能力 桥梁作为重要的市政公用设施和交通咽喉，其抗灾能力被高度关注。2008年发布的市政公用设施抗灾设防管理规定对公用设施的建设、管理、使用都有专项条文明确规定。智能监测系统对桥梁抗灾能力提高主要体现在两个方面：及早的发现灾害以便于采取保护措施；记录灾变的完整过程以便于快速评估和修复。4.1及时发现并监测灾害的发展变化通过监测系统及时发现并监测可能存在的灾害发生及发展变化，为管养部门及时提供灾害信息，便于采取相应的处理措施，确保桥梁安全运营。如通过对斜拉索振动加速度响应的实时监测，分析其振动幅值及频率变化规律，发现可能存在的振动异常情况，如风雨导致的拉索涡振、颤振等，将灾害信息及时提供给大桥养护管理人员，辅助其采取相应的处理措施确保桥梁安全运营。同时，通过实时监测恶劣灾害天气的发展变化（如冰雪灾、大雾天气等），为管养部门做出应急管理决策提供依据和指导。4.2记录完整的突发灾害的过程 智能监测系统24 h实时监控桥梁运营状况，可以全过程记录桥梁在突发灾害时结构各参数响应，为大桥应对灾害发生及灾害状况评估和灾后结构修复提供第一手的实测资料。如通过在大桥桥墩部位布设加速度传感器可以实时监测地震及船撞破坏等灾害发生时的结构响应，为管养部门所用。2008年5月12日14：28，在四川汶川县发生里氏8.0级地震，震中距武汉市约1040 km，传至武汉时的地震烈度约45度，武汉阳逻长江大桥振动监测系统及时监测到该地震引起的大桥地震响应，通过对监测数据的分析，结果显示： （1) 监测到的振动信号显示从14：32左右开始大桥有较大的振动响应，之后慢慢衰减；14：32前北塔纵向振动速度大于横向振动速度，随后横向振动速度大于纵向振动速度。（2) 实测地震作用下大桥最大位移为85.9 mm，为加劲梁1/4处竖向振动；最大速度为42.6 mm/s，为主缆跨中横向振动；最大加速度为394.1 mm/s2，约为0.04g，为北塔纵向振动；响应在设计范围之内。（3) 监测结果显示，该桥受汶川地震影响较小，结构受力状态处于弹性范围之内。； 5. 结 论桥梁管理养护部门需要桥梁结构的关键信息以供维修决策，传统的桥梁检测方法只能提供局部的检测和诊断信息，很难提供整体全面的评估信息，并且费时费力，实效性差，不能提前对结构运营状况进行预警，因而管养效率低下。桥梁智能监测系统的成功开发将为桥梁的维修养护与管理决策提供科学依据和指导。本文通过对已建的几座桥梁智能监测系统实测数据的分析，探讨了智能监测系统在桥梁养护管理中的广泛应用，分析结果表明：（1）通过早期发现桥梁病害大大节约桥梁的维修费用，提高管养工作的效率。（2）通过对桥梁各种关键状态参数、指标进行长期、适时、系统的监测，可实现桥梁技术状况和承载能力的智能评估，通过对桥梁交通流状况及运营环境的监测，为交通运营提供及时有效的信息，提升交通设施的智能化水平，提升管养科技品质与质量；1) 通过对突发灾害过程的及大桥在灾害环境中的响应的监测，可以及时发现灾害的发生，便于对结构进行灾后性能的评估，因而大大加强了结构的抗灾应急能力。当前，监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重数据处理和评估并指导大桥管理养护的设计方案将越来越受桥梁业主欢迎，因此，未来需要进一步加强智能监测系统为桥梁管养服务方面的研究。参 考 文 献：1 张启伟. 大型桥梁健康监测概念与监测系统设计J. 同济大学学报，2001，29(1)：65-69.2 邬晓光，徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势J.长安大学学报（自然科学版