錢塘江三橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)設計
2015-04-21
工程概況
大跨徑橋梁的結構健康監(jiān)測已受到國內外工程界的普遍重視，橋梁結構健康監(jiān)測力求做到對橋梁環(huán)境與結構行為的實時監(jiān)控和對結構安全狀態(tài)的認知與智能化評估。國外在80年代已開始進行大型橋梁結構健康監(jiān)測方面的研究，并在某些重要橋梁上安裝監(jiān)測系統(tǒng)，例如英國的Foyle鋼箱梁橋、Flintshire獨塔斜拉橋，美國的Sunshine Shyway斜拉橋、Benicia-Martinez鋼桁架橋，挪威的Skarnsundet斜拉橋，丹麥的Great Belt East懸索橋，墨西哥的Tampico斜拉橋，加拿大的Confederation連續(xù)鋼構橋，日本的明石海灣以及韓國的Seo-Hae斜拉橋等。在我國自95年起在國家科委攀登B計劃“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎研究”的資助下，開始對大型橋梁結構安全性與耐久性以及橋梁綜合監(jiān)測系統(tǒng)等方面進行了較為深入的研究與開發(fā)，并于97年在上海徐浦大橋上建立了我國第一套橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。至今，我國已經(jīng)安裝了監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁還有香港的青馬大橋、汲水門橋和汀九橋、江陰長江公路大橋、潤揚長江大橋、廣東虎門大橋以及上海盧浦大橋、蕪湖長江大橋等，而杭州地區(qū)的錢江四橋、五橋和六橋也安裝了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
錢江三橋主橋采用兩聯(lián)完全對稱的六孔一聯(lián)的斜拉橋-連續(xù)梁組合體系，每一聯(lián)由中間一座斜拉橋和兩側各兩跨連續(xù)梁組成，每一聯(lián)跨徑劃分為：
72+80+168+168+80+72=640m，主橋全長1280m。斜拉橋采用獨塔單索面體系，塔、梁、墩固結。15對平行斜拉索布置在橋面中間，橋面索距8米，索面范圍(中央分隔帶)為3米，橫向在索面兩側各布置三條行車道，每條車道寬3.5米，兩側人行道寬1.5米，橋面總寬29.5米。主梁為單箱五室預應力混凝土箱梁，梁高3.5米，主塔高88米，橫橋向寬3米。橋面鋪裝由一層厚6cm的30號混凝土現(xiàn)澆層和5cm后瀝青混凝土面層組成，橋面設2%的雙向橫坡，無縱坡。設計車輛荷載為汽車-超20級，掛車-120驗算。
在錢江三橋上建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)能把握大橋運營階段的結構工作狀態(tài)和評估結構的安全性與正常使用性提供必要可靠的數(shù)據(jù)，為大橋運營階段的養(yǎng)護管理提供決策依據(jù)。擬開發(fā)的錢江三橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)要達到的功能目標為：
·系統(tǒng)應對錢江三橋在各種環(huán)境與運營條件下的工作狀態(tài)進行實時自動監(jiān)測，對各監(jiān)測項目能根據(jù)要求進行數(shù)據(jù)采集、貯存和查詢；
·系統(tǒng)應具有對大橋關鍵構件（或部位）應力（或變形）超界的多級報警功能，并可通過測量數(shù)據(jù)的分析處理對結構的異常情況進行自動診斷；
·系統(tǒng)應具有對大橋荷載進行重量、流量和車速統(tǒng)計的功能；
·系統(tǒng)應能在任何時候對當前結構的安全性進行評估；
·系統(tǒng)應具有可視化人機交互界面，并能通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)或圖形傳輸?shù)接嘘P部門。
系統(tǒng)設計原則
總體設計
錢江三橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程。為了使錢江三橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)成為一個功能強大并能真正用于結構損傷和狀態(tài)評估，滿足大橋養(yǎng)護管理和運營的需要，同時又具有經(jīng)濟效益的橋梁結構健康系統(tǒng)，應遵循如下設計原則：
·遵循簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟合理的指導思想；
·系統(tǒng)設計以橋梁結構工程師為主，以設備工程師、網(wǎng)絡工程師、計算機軟硬件工程師為輔助；
·系統(tǒng)設計首先滿足錢江三橋養(yǎng)護管理和運營的需要（養(yǎng)護管理對橋梁信息的需求），立足實用性原則第一，兼顧考慮科學實驗和設計驗證；
·根據(jù)橋梁結構易損性分析的結果及養(yǎng)護管理的需求進行監(jiān)測點的布設；
·監(jiān)測與結構安全性密切相關內容，主要監(jiān)測一些有代表性的結構、必須監(jiān)測的重要結構以及日常養(yǎng)護無法檢查或者檢測困難得結構響應；
·從動力、靜力、耐久性對結構進行監(jiān)測，采用實時監(jiān)測和定期監(jiān)測相結合的方法，力求用最少的傳感器和最小的工作量完成工作；
·以結構位移監(jiān)測為主，以力、應力、模態(tài)分析為輔助；
·系統(tǒng)應能順應橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展方向，具有可擴展性。
傳感器測點布設原則
1、傳感器測點布設原則
·最大位移或能推算結構幾何狀態(tài)變化的地方或構件；
·主要控制或能推算結構幾何狀態(tài)變化的地方或構件；
·結構空間變形主要控制點；
·最大應力分布的地方或構件，最大應力變化的地方或構件，應力傳遞明確的地方或構件；
·可對結構總體溫度進行監(jiān)控的控制點；
·結構模態(tài)分析前3階振型所必須的監(jiān)控控制點；
·索力應力幅值變化較大的斜拉索。
2、工作站布設原則
·信號信息損失最小原則（最短布線原則）；
·同類信息通道集中原則（最佳信息檢查原則）；
·通道預留原則（考慮后期荷載試驗及臨時增加傳感器）；
·穩(wěn)定與安全的運行環(huán)境；
·易于進行檢查及維修、維護。
3、各類硬件的選型原則
·經(jīng)驗證目前國際國內性能最穩(wěn)定者；
·具有可更換性；
·性價比最優(yōu)者；
·MTBF（無故障平均運行時間）具體要求為：傳感器、采集箱、供電、通信系統(tǒng)不少于10年；工作站、服務器、顯示器不少于5年。
4、軟件開發(fā)原則
·可用性、實用性、可靠性
可用性是本系統(tǒng)中設計的首要原則，在目標系統(tǒng)設計上應具有良好的性能價格比、較高的應用、推廣效益，采用多種實用的技術手段，并盡可能集成成熟軟件產(chǎn)品。實用性就是保證可用性的前提下能夠最大限度的滿足實際工作要求。而作為橋梁健康監(jiān)測信息交互平臺，應用系統(tǒng)其可靠性也是極為重要的。除了在硬件體系上的可靠性外，在目標應用系統(tǒng)的設計過程中，還必須注意穩(wěn)定可靠性。及在結構設計上要充分考慮數(shù)據(jù)的、傳輸?shù)目煽啃约皩﹃P鍵數(shù)據(jù)的備份等措施；
·伸縮性、擴展性
應用系統(tǒng)應具有完備的擴展功能，為系統(tǒng)今后功能擴展、升級留有接口，并有利于系統(tǒng)的推廣應用。它有兩個層面的含義：一是檢測內容的可擴展性；另一方面是業(yè)務功能上的可擴展性。目標系統(tǒng)的設計除了可以適應目前的檢測內容外，還應充分考慮以后檢測內容的擴充和分析手段的完善；
·管理及維護的簡便性
一方面龐大的信息系統(tǒng)需要有效的管理和維護手段，另一方面由于本系統(tǒng)中涉及的傳感器設備種類繁多，且安裝現(xiàn)場調試環(huán)境惡劣，因此在目標系統(tǒng)設計中充分考慮對這些傳感器設備的遠程設置、控制機制；
·先進性
軟件平臺、技術實現(xiàn)手段的選型應符合主流的發(fā)展方向，在技術上采用當今較為成熟的技術同時保持相對的先進性，將先進和成熟的技術與現(xiàn)實相結合；
·開放式體系、模塊化設計
采用開放式體系、模塊化設計保證系統(tǒng)具有良好的可維護性和可擴充性。
監(jiān)測技術
雖然實時監(jiān)測可以檢測到人工日常養(yǎng)護中無法檢測的橋梁整體工作性能，以及對一些人工無法到達的隱蔽部位進行監(jiān)測，但由于資源等方面的限制，實時監(jiān)測系統(tǒng)不可能涵蓋所有構件。此外，由于對三橋這類大型橋梁在復雜環(huán)境下響應的認識和經(jīng)驗的限制，也會導致對某些關鍵性部位監(jiān)測的不足。因此，必須將定期人工檢測、荷載檢測與實時的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)有機結合，才能有效消除現(xiàn)存實時監(jiān)測方法中的諸多不足。
錢江三橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采用實時監(jiān)測與定期監(jiān)測、檢測相結合的方法對橋址環(huán)境、結構響應、結構變化等方面進行全面而系統(tǒng)監(jiān)測，以全面得到反映橋梁健康狀況的真實信息。
本系統(tǒng)實時監(jiān)測的內容有：溫度監(jiān)測、主梁撓度、支座沉降、梁塔應力、裂縫、斜拉索索力、主梁動應變、主梁振動、主墩振動。
本系統(tǒng)定期監(jiān)測的內容有：橋面標高測試、全部斜拉索索力測試、裂縫檢查及裂縫寬度測試。
正常情況下，以實時監(jiān)測為主，如果結構監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常結果則進行人工監(jiān)測和檢測。人工監(jiān)測和檢測的數(shù)據(jù)也可以作為實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的復核與補充。圖1為錢江三橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。
1、溫度監(jiān)測
考慮測試方法的兼容性，傳感器采用半導體類或者電阻類的溫度傳感器，溫度計由優(yōu)質不銹鋼外殼、熱敏電阻和專用電纜組成，具有優(yōu)越的防水性能，信號穩(wěn)定。全橋布置2個溫度測試斷面，分別為主梁和主塔斷面，其中主箱梁布置12個溫度測點，主塔斷面埋設8個溫度測點。
2、主梁撓度、橋墩沉降和主梁水平位移監(jiān)測
主梁撓度及橋墩沉降監(jiān)測采用靜力水準技術。靜力水準相對于GPS，具有精度高、速度快、成本低的特點，對于錢江三橋這種結構剛度相對較大、變形量相對較小、縱坡為平坡的橋梁尤為合適。
靜力水準測量采用連通管的方法，測量使用電感式靜力水準儀，構成一個差異沉降測量系統(tǒng)。主梁水平位移測試原理與撓度測試基本相同，區(qū)別是將豎向改成水平向。全橋布置25個靜撓度測試斷面，基本為主梁在每個墩的墩頂和跨中位置。主梁水平位移測試僅布置SP6墩和0#墩伸縮縫處，主要測量南聯(lián)主梁的水平位移。
3、 靜應變及混凝土裂縫監(jiān)測
靜應變及混凝土裂縫監(jiān)測采用弦式應變計，方法是將弦式應變計固定在被測位置表面，當結構物發(fā)生變形時，應變計記錄變化值，并將其轉化為鋼弦振動頻率的變化，通過頻率讀數(shù)儀進行測試。
全橋布置10個靜應變測試斷面，分別為主梁和主塔斷面，應變計在斷面的上下緣布置。
4、斜拉索索力監(jiān)測
斜拉索索力測試采用振動法，即在拉索上綁扎加速度傳感器，通過拉索振動頻率的變化，判斷拉索索力的變化。由于拉索振動幅值相對較大，易選用靈敏度相對較低的傳感器，如采用擴散硅加速度傳感器或壓電式加速度傳感器。
全橋布置6個斜拉索測試斷面，分別為南聯(lián)斜拉橋兩側扇面的2#、8#和14#拉索。
5、動應變監(jiān)測
動應變測試采用電阻應變片法，由電阻應變片配合動態(tài)應變儀進行動應變數(shù)據(jù)采集。 全橋布置6個動應變測試斷面，分別位于各跨的跨中。
6、結構自振特性監(jiān)測
主橋結構自振特性采用環(huán)境隨機振動法，即將速度傳感器放在主梁指定位置，根據(jù)對隨機振動信號的分析，判斷結構的自振特性參數(shù)，這其中包括自振頻率、阻尼比和振型。由于梁體振動一般較弱，宜采用低頻磁電式速度傳感器。
根據(jù)理論計算和實測結果，主橋前四階振動分別為側向、豎向反對稱和豎向對稱三種振型，因此在南聯(lián)的168m跨各布置3個測試斷面，跨中布置2豎1橫（3測點），其余布置2豎測點；北聯(lián)168m跨跨中布置2個測試斷面，跨中布置2豎1橫（3個測點），全橋共18個自振特性測點（14豎向、4橫向）。
7、船撞監(jiān)測
船撞監(jiān)測采用振動法，即在被測墩上安裝加速度傳感器，如果有船碰撞橋墩，會引發(fā)加速度傳感器的輸出變化，從而判斷是否船撞及船撞力的大小和方向。
測試設備同主梁振動。索塔主墩布置2個測點分別為順橋向和橫橋向布置，2、4#墩布置1個測點，為橫橋向布置，全橋共8個測點。除索塔測點布置于箱梁內外，其余測點布置于墩頂位置。
8、高速車輛動態(tài)監(jiān)測統(tǒng)計系統(tǒng)
公路車輛動態(tài)監(jiān)測統(tǒng)計系統(tǒng)設置在主橋入口處，當車輛通過本系統(tǒng)時，傳感器拾取車輪對路面的沖擊載荷等信息，經(jīng)信號采集和數(shù)據(jù)運算，得出軸載荷、軸數(shù)、輪數(shù)、車速、車輛類型等參數(shù)，根據(jù)設定的限制參數(shù)可迅速判斷出車輛是否“超載”，對疑似超載車輛信息在系統(tǒng)界面上顯示并發(fā)出預警信號，同步可通過信息板裝置告知車輛駕駛人員和路面執(zhí)法人員，以便于實施管理。不超載車輛則正常通過，保證了治超和正常的公路通行秩序，有效的提高了公路通行效率。
9、通信技術
每個測點通過現(xiàn)場采集箱采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)字化處理，然后通過數(shù)字信號傳輸，傳遞至監(jiān)控室。
現(xiàn)場采集箱與監(jiān)控室通過光纜連接，根據(jù)現(xiàn)場測試的傳輸量，選擇16芯的光纜，其中靜撓度、靜應變、溫度測試共用2芯、斜拉索索力測試2芯、主梁動應變測試2芯、主梁自振特性測試2芯、船撞測試2芯、車輛軸重測試4芯，備用2芯。
從現(xiàn)場至監(jiān)控室估計配置光纜長度為3km，光纜可采用單?；蚨嗄９饫|。
結構健康狀況評估系統(tǒng)設計
橋梁結構健康狀況評估系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，為使錢江三橋橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)真正地服務于大橋的運營管理，為大橋的養(yǎng)護維修提供科學依據(jù)，本健康監(jiān)測評估系統(tǒng)密切結合大橋的管理要求，力求做到“預測性維護、評估式維護”，對橋梁的健康狀況以及可能的發(fā)展趨勢有清晰的了解，對橋梁構件的不正常表現(xiàn)做出即時診斷并找出其根源，及早發(fā)現(xiàn)災難性破壞的隱患，以便能采取措施加以消除或最低程度對其進行控制和延緩。
結構健康狀態(tài)評估系統(tǒng)分為在線評估和離線評估兩部分。在線評估主要對實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基本的統(tǒng)計分析、趨勢分析，并與其閥值比對，給出結構的初步安全狀態(tài)評估。
離線評估在結構評估服務器上進行，主要對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括其它系統(tǒng)、日常管養(yǎng)等）進行綜合的高級分析，如模態(tài)分析、橋梁特征量與環(huán)境因素之間的相關性分析等。這些方法通常需占用一定的計算時間來進行大量的結構計算，以便給出結構全面綜合的評估結論。
結構健康狀態(tài)評估可分為五個層次，分別是全橋、區(qū)段、部件、斷面、布點，在線評估及離線評估分別完成不同層次的內容，由淺到深，由單項到綜合。
系統(tǒng)設計體會與展望
健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內橋梁領域的運用只有10來年的歷史，目前還存在以下幾個問題： ·傳感器的使用壽命遠低于被測結構物，因此傳感器的長期穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的持續(xù)采集以及設備的方便更換是制造商們所必須研究和改進的；
·由于受到測試設備精度的影響、結構的復雜程度的不確定以及評估理論的限制，評估軟件的智能性和實用性還有待提高。
雖然目前健康監(jiān)測系統(tǒng)在實用性方面還存在一定距離，但隨著設備的更新、經(jīng)驗的積累、理論的完善，結構健康監(jiān)測系統(tǒng)會在橋梁的運營過程中發(fā)揮越來越大的作用。
