王磊

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波315042)

過橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

王磊

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波315042)

介紹過橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案、各個子系統(tǒng)的設計方案和硬軟件設備及其實現(xiàn)，并分析該健康監(jiān)測系統(tǒng)在成橋試驗和運營中監(jiān)測的過橋結構的動態(tài)反應。結果表明，該過橋結構實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠協(xié)調運行，并實現(xiàn)預期設計功能，為類似的工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實施積累了經驗。

健康監(jiān)測;鋼橋;安全評估

一、引 言

根據某大型鋼鐵廠粗軋技術改造工程設計方案，某軋機出口至下游約26 m之間現(xiàn)有輥道需架設鋼過橋結構進行支撐，以便在不停產情況下進行新粗軋機基礎施工。為了確保過橋安裝完至粗軋改造第一次停機期間的生產安全，筆者完成了對過橋結構的安全性評價和工作期間的實時健康監(jiān)測。過橋結構主要由上部橋架和下部軋機輥道過橋兩大部分組成，該過橋結構如圖1所示。

圖1 某橋左端部分立體結構

根據現(xiàn)場施工情況及廠方要求，過橋結構的實時監(jiān)測考慮了橋架結構的兩種架設方案：第1種方案為下部基礎全部開挖，輥道設備全部落于過橋結構上;第2種方案是1～10號輥道設備的混凝土基礎不破除，其他輥道設備基礎破除并將其落于過橋結構上。本文最后采用了第2種方案。

由于過橋結構及輥道設備在軋機輥道正常工作時，板坯在輥道上運行會對過橋結構和輥道設備都會產生振動響應，為了把握過橋結構的工作狀況，評估其結構的安全性和正常使用的可靠性，本文設計了該過橋結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以便對過橋結構進行實時監(jiān)測或定期檢測。

二、測點布置及監(jiān)測實施

橋架結構的受力和變形較大的構件，如中部兩側的立柱結構及其附近的構件，兩端支承柱及其加勁板都將作為健康監(jiān)測的重點內容之一。圖1所示為某橋左端部分的立體結構，橋架結構的監(jiān)測主要是對橋架結構的整體工作狀況進行監(jiān)測，以及對橋架結構重點部位損傷狀況進行監(jiān)測，監(jiān)測的響應內容主要為應變、加速度和位移，各測點的布置如圖2所示。

圖2 某過橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)測點的布置圖

1.橋架結構的應變監(jiān)測

監(jiān)測橋架結構應變監(jiān)測的目的在于，分析橋架結構主要受力桿件的內力分布及板坯運行載荷激勵下的響應，為橋架結構的設計預警、損傷預警、承載能力評估、可靠度評估等提供依據。

橋架結構的應變監(jiān)測是在構件截面布置電阻應變傳感器，連續(xù)地測量測點處的應變時程。應變測點主要布置在橋架結構中部兩側的立柱結構及其附近的構件，兩端支承柱及其加勁板，連接架斜承等部位，如圖2所示。應變片采用標距為2 cm× 3 cm的膠基應變片，應變采集儀器則采用的是東華DH5935型動態(tài)應變采集分析儀。

2.橋架結構加速度監(jiān)測

橋架結構的動態(tài)響應往往與引起其整體振動的強振源相聯(lián)系，而橋架結構所受到的主要強振源是板坯在輥道上運行時引起的振動。因此，通過對橋架結構振動的監(jiān)測，不但可以識別橋架結構的動態(tài)特性參數，還可以實現(xiàn)對橋架結構承受板坯運行荷載歷程的響應記錄。

在板坯運行荷載激勵作用下對橋架結構進行振動監(jiān)測，主要是監(jiān)測橋架結構的豎向、順橋向及橫橋向的振動。因此，根據振動的特點，在橋架結構的主梁上布置了5個加速度傳感器。主要測試儀器設備包括941型壓電式加速度傳感器、TS5859A振動放大器和安正CRAS振動采集分析儀器。

3.橋架結構動態(tài)位移響應監(jiān)測

利用橋架結構在板坯運行荷載時動態(tài)位移的測試數據不但可以了解橋架結構的整體性能，還可以修正分析計算中的動力放大系數，并且下橫梁兩端的測量位移差值也是設計預警的重要數據。

在板坯運行荷載激勵作用下對橋架結構進行動態(tài)位移監(jiān)測，主要是監(jiān)測橋架結構主要部位的動態(tài)位移時程，特別是下橫梁兩端的靜態(tài)位移值。監(jiān)測方法為在橋架結構的主要位置布置速度傳感器。主要儀器設備包括941型伺服式速度傳感器、TS5859A振動放大器和安正CRAS振動采集分析儀器。過橋結構的受力狀態(tài)，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的性能。下面介紹部分試驗結果。

1.應 變

橋架的應變監(jiān)測的部分結果如圖4所示。圖4 (a)為某應變通道30天內的應變峰值走勢圖及其與預警閾值的關系，可以看出實測應變均未超出初設的預警閾值，表明結構運營良好。從圖4(b)中可以看出，結構的狀態(tài)平穩(wěn)，其中較高的應變值是由過板荷載較大引起的，但其增值不大，因此可以說整個測試過程結構運行平穩(wěn)，不會發(fā)生不良狀況。

三、測點和導線的保護

由于板坯的溫度比較高，車間現(xiàn)場也比較復雜，如果不在現(xiàn)場進行合適的保護，將很可能出現(xiàn)應變計的粘貼膠被破壞或者導線被碰斷等狀況，從而導致該健康監(jiān)測系統(tǒng)無法正常工作，因此需要對本監(jiān)測系統(tǒng)的應變計和導線進行仔細保護。其保護措施包括用防火棉包裹應變計和導線，橋架上的導線集中后再引入工廠地下室的電纜橋架。應變計和導線的現(xiàn)場保護措施如圖3所示，主要采用防火棉包裹數據傳輸線，并在應變計部位纏繞多層防火棉。

圖3 應變計和導線的現(xiàn)場保護措施

四、監(jiān)測結果分析

該監(jiān)測系統(tǒng)已經運行了6 個多月，監(jiān)測記錄了

圖4 橋架結構的應變監(jiān)測結果

2.加速度

監(jiān)測前期(5月15日)和后期(11月11日)的加速度時程反應如圖5所示。通過分析前期(5月15日)，中期(8月12日)和后期(11月11日)加速度監(jiān)測最大值，并與設計的安全閾值比較可知，前期、中期和后期的加速度監(jiān)測最大值分別占安全閾值的20.22%、18.24%、11.87%，由此可認為結構在整個運行期間運行良好。

3.位 移

位移監(jiān)測的前期和后期的部分結果如圖6所示。根據前期、中期和后期的位移監(jiān)測最大值，并與設計的安全閾值比較可知，正位移最大值達到預警閾值的28.69%，負位移最大值達到預警閾值的11.18%，而且位移峰值差值的最大值達到位移峰值差值預警閾值的74.48%，因此結構是安全的。

圖5 橋架沿豎向振動的加速度時程

圖6 位移監(jiān)測結果

4.用位移功率譜分析結構安全性

結構的整體性能改變時，其模態(tài)參數(如頻率、振型等)也會發(fā)生相應的變化。通過對橋架結構的振動特性的連續(xù)監(jiān)測，可以考察橋架結構的安全可靠性。結構頻率是較易測得的結構模態(tài)參數，據此作為損傷評估的依據簡單可靠。對過橋結構每次測得的數據進行分析，將實際各階自振頻率與過橋最初監(jiān)測各階自振頻率對比，用頻率變化平方比判定損傷狀況。

以前期(5月16日)、后期(11月11日)數據分析得到的位移功率譜為例，進行過橋結構損傷評估。圖7分別為前期和后期的位移功率譜;表1為根據位移功率譜得到的各自的前三階自振頻率值。將相應的頻率變化平方比與事先模型算出的各主要構件損傷狀況數據庫進行比較，可以看出直方圖變化程度、變化趨勢與損傷狀況數據庫中的都不同，因此可以得知此次過橋結構無損傷，進而得知結構運行狀況良好。

圖7 位移功率譜

表1 前期和后期結構頻率的變化

五、結束語

本文研究了某大型鋼鐵廠過橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法，介紹了該健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案、各硬件設備的實現(xiàn)，并且分析了該健康監(jiān)測系統(tǒng)在運營中監(jiān)測過橋結構的動態(tài)反應。分析表明，本文設計和實現(xiàn)的某粗軋過橋結構實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠協(xié)調運行，實現(xiàn)了預期設計功能。該大型鋼鐵廠過橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)與運行為過橋結構安全評定方法提供了數據，為類似結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實施積累了工程實踐經驗。

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Design and Implementation of Health Monitoring System for Cross-over Bridge

WANG Lei

0494-0911(2012)09-0065-03

P25

B

2011-09-13

王磊( 1977—) ，男，吉林輝南人，高級工程師，主要從事工程測量及GIS 開發(fā)應用方面的工作。