淺談斜拉橋施工安全及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
2015-06-24
道路橋梁建設(shè)是我國現(xiàn)代化建設(shè)進程的重要組成部分，對我國經(jīng)濟持續(xù)增長和社會進步有至關(guān)重要的影響。橋梁作為道路交通動脈的關(guān)鍵節(jié)點，其重要作用越來越為人們所重視。近年來，我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，資金投入巨大，由于橋梁在經(jīng)濟社會中的顯赫作用，它的安全性、可靠性越來越受到重視。近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌和局部破壞事故，使人們更深入地認識到，橋梁結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測的必要性和迫切性，它已成為橋梁領(lǐng)域的一個重要方面，直接牽涉到橋梁和人民財產(chǎn)的安全性、經(jīng)濟性和社會效益的發(fā)揮。
在橋梁建設(shè)中，斜拉橋的安全監(jiān)測主要集中在施工安全和橋梁健康兩方面：一方面新建橋梁結(jié)構(gòu)需要進行施工監(jiān)控，以確保施工質(zhì)量，順利通車[1][2][3]；另一方面由于自然災(zāi)變和老化作用，橋梁運營過程中，會出現(xiàn)各種病害，潛伏著巨大的安全隱患，威脅橋梁安全[4][5][6]。
因此，為降低陳本提高利用效率，可以考慮開發(fā)同時應(yīng)用于建設(shè)中施工安全和使用中橋梁健康的監(jiān)測系統(tǒng)。
1.監(jiān)測系統(tǒng)的功能分析
開發(fā)同時應(yīng)用于施工安全和橋梁安全的監(jiān)測系統(tǒng)，其功能是對橋梁建設(shè)和使用中情況進行監(jiān)測，從而降低相應(yīng)事故的發(fā)生實現(xiàn)安全建設(shè)和安全使用目標。按已有研究，一般認為斜拉橋的安全監(jiān)測的過程是在重要結(jié)構(gòu)的某些部位安裝傳感器，測量結(jié)構(gòu)的某些物理量如應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、位移等，將測得的這些物理量傳至計算機，計算機根據(jù)這些物理量推斷出結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。因此，開發(fā)斜拉橋安全施工和橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)一般需要具有以下三方面的基本功能：
1）監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。在施工中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測是對于橋梁施工是否達到設(shè)計要求最直接的反映，對于保證工程質(zhì)量具有重要意義。在橋梁健康監(jiān)測中，關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化是對橋梁使用過程中損傷情況估計的基礎(chǔ)。
2）對橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和損傷的估計。關(guān)于橋梁施工、使用過程中，由于結(jié)構(gòu)的環(huán)境、荷載、應(yīng)力、變形等參數(shù)變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)改變及損傷已經(jīng)有較多理論研究。開發(fā)相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要根據(jù)監(jiān)測到的監(jiān)測值結(jié)合已有研究對斜拉橋情況進行評估，以保障橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程和運營過程中的安全，并具備在結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)性荷載或損傷時及時的給出報警，從而降低突發(fā)事件對橋梁安全的影響。
3）對橋梁健康情況的常態(tài)監(jiān)測。在斜拉橋施工和使用中，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是漸變得，對橋梁損傷的判斷和及時、恰當?shù)酿B(yǎng)護與維修都是在全面系統(tǒng)地把握結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上進行的。因此，系統(tǒng)需要能夠長時間，大周期范圍內(nèi)保留監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并據(jù)此對橋梁結(jié)構(gòu)進行估測，從而科學(xué)養(yǎng)護維修斜拉橋，從而能夠盡量延長斜拉橋安全運營的時間，降低結(jié)構(gòu)的壽命成本。
2. 系統(tǒng)硬件設(shè)備分析
系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括斜拉橋檢測裝置、數(shù)據(jù)處理的計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分。由于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)的快速發(fā)展，可以采用已有成熟的計算機系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)進行系統(tǒng)的開發(fā)，因此系統(tǒng)硬件設(shè)備的開發(fā)主要集中于斜拉橋檢測裝置的開發(fā)中。
斜拉橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測裝置的開發(fā)主要包括兩個方面，一是那些關(guān)鍵部位需要安裝傳感器，二是如何進行安裝。
對于傳感器安裝部位的選擇，根據(jù)已有理論研究和相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合斜拉橋施工過程和使用過程中安全監(jiān)測的需要，開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)時可將系統(tǒng)傳感器運用于斜拉橋的拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋、大跨索膜結(jié)構(gòu)的拉索、地錨和環(huán)錨等結(jié)構(gòu)。
而對于傳感器的安裝主要包括以下幾個步驟：1）對各種規(guī)格拉索定型的傳感器產(chǎn)品進行選型；2）分析傳感器生產(chǎn)工藝，研制配套生產(chǎn)裝置研制；3）研究所選用傳感器性能及安裝使用方法；4）利用光纖光柵智能鋼絞線機械化生產(chǎn)線制作出拉索用Ф15.24光纖光柵智能鋼絞線；5）磁通量傳感器現(xiàn)場繞線裝置的設(shè)計與制作；6）傳感器裝置的安裝調(diào)試。
3.系統(tǒng)軟件分析
隨著信息化的不斷深入，一般的斜拉橋監(jiān)控系統(tǒng)都不是獨立的，需要與已有的政府企業(yè)系統(tǒng)進行對接。所以斜拉橋監(jiān)控的系統(tǒng)的開發(fā)一般需要依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的遠程在線安全監(jiān)測，形成信息管理、分析研究及技術(shù)服務(wù)平臺，提供面向業(yè)主、管理部門及廣大用戶（工程項目）的專業(yè)服務(wù)，協(xié)助其進行專業(yè)管理、數(shù)據(jù)分析、人才培養(yǎng)等。因此，按已有監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，系統(tǒng)軟件分析主要包括系統(tǒng)構(gòu)架、數(shù)據(jù)流程、人機交互三個方面的內(nèi)容。
根據(jù)上述軟件要求，可以采用已有監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架進行開發(fā)。比如在斜拉橋監(jiān)控系統(tǒng)中可以整個系統(tǒng)采用C/S+B/S架構(gòu)，基于.net和labwindows/cvi平臺開發(fā)，使用SQL2005數(shù)據(jù)庫。這樣軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)備結(jié)合形成了一個以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集結(jié)構(gòu)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、綜合報警、信息網(wǎng)絡(luò)分析處理和橋梁養(yǎng)護管理等功能為一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)。
而整個軟件的數(shù)據(jù)傳輸流程為：軟件系統(tǒng)的的原始數(shù)據(jù)來源于硬件設(shè)備中傳感器裝置采集到得數(shù)據(jù)，一般通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，然后并入互聯(lián)網(wǎng)中送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，接著將處理的結(jié)果與原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)使得使用者可以遠程實時的實現(xiàn)對斜拉橋施工、使用過程中橋梁結(jié)構(gòu)情況的監(jiān)控。同時，軟件系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的分析和歷史數(shù)據(jù)的對比能夠在無人看守情況下，定時自動采集數(shù)據(jù)，對安全危險進行報警，從而能夠及時監(jiān)控安全隱患。
對于系統(tǒng)的人機交互，主要包括四個方面：權(quán)限管理、數(shù)據(jù)查詢、生成報告、干預(yù)檢測。1）權(quán)限管理：登錄成功后可以查看當前用戶所屬業(yè)主的所有工程。如果是超級業(yè)主可以查看所有業(yè)主的所有工程。對不同用戶設(shè)置不同的權(quán)限。2）數(shù)據(jù)查詢：可查詢某一工程某一測量點的歷史數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。3）報告生成：根據(jù)需要按一定周期生成監(jiān)測報告，對結(jié)構(gòu)安全進行評估。4）干預(yù)檢測：可在人工干預(yù)情況下，進行手動測量。
4.開發(fā)實例
根據(jù)以上研究開發(fā)了一套用于斜拉橋施工安全與橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)已獲專利授權(quán)9項，其中發(fā)明專利2項，實用新型專利7項。產(chǎn)品已研制成功并通過了權(quán)威部門的成果鑒定，成功應(yīng)用于柳州文惠橋、南寧永和橋、宜賓長江大橋、武廣高鐵、京滬高鐵、香港昂船洲大橋、甘肅九電峽水利樞紐等工程。
