姜　慧1，2，3　王立新1，2，3　嚴(yán)　琨1，2，3　趙賢任1，2，3馬宏偉4丁　樺5聶振華41廣東省地震局，廣州 5100702廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5100703中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 5100704暨南大學(xué)，廣州 5106325廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣州 511458

大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)研究1

姜慧1，2，3）王立新1，2，3）嚴(yán)琨1，2，3）趙賢任1，2，3）
馬宏偉4）丁樺5）聶振華4）
1）廣東省地震局，廣州 510070
2）廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070
3）中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070
4）暨南大學(xué)，廣州 510632
5）廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣州 511458

姜慧，王立新，嚴(yán)琨，趙賢任，馬宏偉，丁樺，聶振華，2016.大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)研究.震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：261—271.doi：10.11899/zzfy20160209

大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)包括四個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)容：①基于B/S架構(gòu)的橋梁強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)陣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)；②基于多指標(biāo)信息融合技術(shù)的橋梁安全評(píng)估方法；③快速橋梁數(shù)值仿真技術(shù)和抗震性能評(píng)估；④橋梁監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)集成與可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸、分析、診斷、仿真和評(píng)估一體化。平時(shí)不間斷地分析診斷橋梁與初始或完好狀態(tài)動(dòng)力特性的差異，為橋梁養(yǎng)護(hù)和加固提供參考依據(jù)；發(fā)生船撞或地震時(shí)，快速評(píng)估事件后橋梁的安全狀態(tài)，并對(duì)異常進(jìn)行警報(bào)，給橋梁管理方提供破壞事件的強(qiáng)度信息。

大型橋梁地震安全健康診斷快速仿真在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)

引言

改革開放以來(lái)，我國(guó)建設(shè)了大量橋梁工程，特別是在沿海地區(qū)，建設(shè)了很多跨海、跨江河大型橋梁，有些已經(jīng)使用了二三十年，在日常荷載、腐蝕、材料老化等因素的作用下，橋梁的健康狀況已經(jīng)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，一旦遭遇地震或船撞擊，橋梁結(jié)構(gòu)將面臨嚴(yán)重的威脅。大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界研究的熱點(diǎn)，并在部分橋梁上得到了應(yīng)用（黃方林等，2005；李惠等，2006；李愛(ài)群等，2012），例如國(guó)內(nèi)的武漢長(zhǎng)江大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋、杭州灣跨海大橋、香港的青馬大橋等幾十座大型橋梁上都安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。有研究者建立了城市橋梁安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)（馬俊等，2006）、橋梁船撞監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)（耿波，2007；杜彥良等，2015）；也有學(xué)者將GIS和地震工程技術(shù)結(jié)合起來(lái)建立了橋梁抗震管理和災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)（王東升等，2003；陳明等，2004；趙立巖，2006；徐清，2006）。但由于橋梁結(jié)構(gòu)及其所受荷載的復(fù)雜性，現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估系統(tǒng)很難實(shí)時(shí)監(jiān)控橋梁健康狀態(tài)和潛在危險(xiǎn)。

本研究在對(duì)國(guó)內(nèi)外已有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)工程結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的橋梁形式（連續(xù)梁橋、斜拉橋、懸索橋）的監(jiān)測(cè)及分析，發(fā)展了一種集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、橋梁損傷實(shí)時(shí)多指標(biāo)融合分析、快速仿真和抗震性能評(píng)價(jià)一體化的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅可實(shí)時(shí)評(píng)估橋梁日常運(yùn)行情況下的安全狀態(tài)，在地震或橋梁被船撞時(shí)，也可快速評(píng)估事件后的橋梁安全狀態(tài)。另外，還可以根據(jù)橋梁所處的地震環(huán)境，模擬未來(lái)地震作用下橋梁可能的破壞情況，為橋梁抗震設(shè)計(jì)和抗震加固提供參考依據(jù)。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了便于對(duì)各種功能分類管理，大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)包含4個(gè)分系統(tǒng)：①橋梁強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)陣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）；②基于多指標(biāo)信息融合技術(shù)的橋梁安全評(píng)估系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“安全評(píng)估系統(tǒng)”）；③橋梁快速仿真和抗震性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“仿真預(yù)測(cè)系統(tǒng)”）；④橋梁監(jiān)測(cè)、評(píng)估、仿真、預(yù)測(cè)可視化集成系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“可視化集成系統(tǒng)”）。通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)及其演化特征識(shí)別，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震作用下橋梁結(jié)構(gòu)安全性的預(yù)測(cè)和警報(bào)，為大型橋梁安全運(yùn)行服務(wù)。各分系統(tǒng)主要內(nèi)容及相互間的聯(lián)系見(jiàn)圖1。

圖1　各分系統(tǒng)的主要功能及聯(lián)系Fig.1　The main content of each subsystem and its association

1.2各分系統(tǒng)主要功能

1.2.1橋梁在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

開發(fā)基于B/S架構(gòu)的橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)臺(tái)陣采集的強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、傳輸、常規(guī)分析處理及存儲(chǔ)管理，對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，對(duì)橋梁可能遭遇的地震或船只、重車撞橋等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別分析。

1.2.2安全評(píng)估系統(tǒng)

對(duì)多種基于動(dòng)力特性的損傷診斷方法，進(jìn)行多指標(biāo)融合分析，篩選出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范化、系統(tǒng)化損傷識(shí)別評(píng)估方法。通過(guò)編寫多指標(biāo)損傷識(shí)別程序及融合分析評(píng)估程序，使系統(tǒng)可對(duì)日常荷載及偶然事件作用下的損傷狀況，快速判定是否有損傷發(fā)生，并提出綜合評(píng)估意見(jiàn)。

1.2.3仿真預(yù)測(cè)系統(tǒng)

本分系統(tǒng)包含橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)反分析和有限元模型修正、橋梁結(jié)構(gòu)快速仿真和地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)快速評(píng)估等子系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)快速數(shù)值仿真子系統(tǒng)中包括了人工地震的合成與輸入、環(huán)境載荷輸入、人工邊界、有限元模型生成、宏單元算法等。橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)反分析包括利用不同激勵(lì)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演、信號(hào)降噪處理等。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)快速評(píng)估技術(shù)通過(guò)快速數(shù)值仿真和模擬強(qiáng)震下橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)的放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)橋梁抗震性能的快速預(yù)測(cè)。

1.2.4可視化集成系統(tǒng)

使用與系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)關(guān)的Java語(yǔ)言開發(fā)橋梁在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估可視化集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了接收、存儲(chǔ)并分析處理多通道數(shù)據(jù)采集器發(fā)回的實(shí)時(shí)橋梁振動(dòng)信息，同時(shí)針對(duì)不同用戶需求，開發(fā)友好的可視化用戶界面，編制核心的接口軟件，供安全評(píng)估系統(tǒng)和仿真預(yù)測(cè)系統(tǒng)掛入，對(duì)地震或船只、重車撞橋等事件進(jìn)行報(bào)警。完成對(duì)各子系統(tǒng)軟件的運(yùn)行、管理和調(diào)用，為使用者提供界面友好的、可視化和集成化程度高的操作平臺(tái)。

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和安全評(píng)估方法

2.1在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，已分別應(yīng)用于佛開高速公路九江大橋、珠江黃埔大橋南汊橋懸索橋和虎門大橋主航道橋等不同類型的橋梁。下面以虎門大橋?yàn)槔龑?duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)

為獲取橋址場(chǎng)地輸入地震動(dòng)和橋梁整體特別是關(guān)鍵部位的地震反應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本臺(tái)陣測(cè)站分別布置在橋址地基、橋墩、橋塔、主梁等部位，共17測(cè)點(diǎn)，其中包括6個(gè)三分量加速度計(jì)、3個(gè)豎向-橫向雙分量加速度計(jì)、2個(gè)豎向-縱向雙分量加速度計(jì)，2個(gè)橫向-縱向雙分量加速度計(jì)、3個(gè)豎向單分量加速度計(jì)、1個(gè)縱向單分量加速度計(jì)，共計(jì)36線道，如圖2所示。

其中，在兩座主塔基礎(chǔ)上分別布置三分量加速度計(jì)以記錄大跨橋梁可能受到的多點(diǎn)地震動(dòng)輸入，兩座主塔塔頂均設(shè)置三分量加速度計(jì)以記錄主塔的地震反應(yīng)（圖2中A—A、E—E截面），在位于江中的番禺側(cè)橋塔塔頂和下橫梁上增設(shè)橫向及縱向加速度計(jì)以記錄主塔的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)（E—E截面）；在塔柱兩側(cè)加勁梁上（A1—A1、E1—E1截面）分別設(shè)置兩個(gè)多分量加速度計(jì)以記錄在地震慣性力作用下梁端可能出現(xiàn)的較大縱向漂移以及水平、豎向轉(zhuǎn)動(dòng)；因?yàn)閼宜鳂蛘w不對(duì)稱，在主跨L/4、L/2、3L/4處（圖2中B—B、C—C、D—D截面）上下游都分別設(shè)置橫向及豎向加速度計(jì)以記錄豎向、橫向振動(dòng)以及加勁梁的整體扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

2.1.2數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)由24通道中心記錄式數(shù)據(jù)采集器和力平衡式加速度計(jì)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器采用美國(guó)Kinemetrics公司生產(chǎn)的Granite多通道數(shù)字強(qiáng)震數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器具備高動(dòng)態(tài)范圍和高計(jì)時(shí)精度的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍90dB，通道數(shù)可達(dá)36道，所有通道同步采樣；具有GPS授時(shí)和本機(jī)存儲(chǔ)功能；具備閾值觸發(fā)、手動(dòng)觸發(fā)等觸發(fā)模式；支持遠(yuǎn)程通信與數(shù)據(jù)傳輸；支持UDP/IP協(xié)議。傳感器采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的SLJ-100FBA型加速度計(jì)，測(cè)量范圍±2g，頻帶0—80Hz，相位為線性（0—100Hz），動(dòng)態(tài)范圍135dB。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，系統(tǒng)采取遠(yuǎn)程監(jiān)控和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，定時(shí)將儀器的運(yùn)行狀況傳回臺(tái)網(wǎng)中心，臺(tái)網(wǎng)中心可以進(jìn)行遠(yuǎn)程儀器調(diào)試和數(shù)據(jù)采集，在檢測(cè)到突發(fā)事件發(fā)生后系統(tǒng)自動(dòng)將事件的有關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)傳回臺(tái)網(wǎng)中心。

圖2　虎門大橋監(jiān)測(cè)臺(tái)陣布置Fig.2　Strong motion observation array of Humen Suspension Bridge

圖3　強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.3　Technical system components of strong motion monitoring system

2.2安全評(píng)估系統(tǒng)

安全評(píng)估系統(tǒng)選用了基于四個(gè)獨(dú)立的損傷指標(biāo)的評(píng)估方法，分別是：主成分分析法、小波包能量法、重構(gòu)相空間法和二次協(xié)方差（CoC）矩陣法（Takens，1981；Li等，2010）。得到的各個(gè)指標(biāo)從不同方面反映了橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此可以分別根據(jù)每個(gè)診斷指標(biāo)來(lái)對(duì)橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。選用的這四種方法計(jì)算便捷，基本不需要人工干預(yù)，因此適合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析和評(píng)估，其中前三種方法均為每一分鐘計(jì)算一次，CoC矩陣方法每二小時(shí)計(jì)算一次。圖4是四種方法的計(jì)算結(jié)果示例。

圖4　四種方法計(jì)算結(jié)果示例Fig.4　Example calculation results by four methods

由于以上每一種方法都是通過(guò)基于橋梁結(jié)構(gòu)的某一種物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而單一的物理特性又很難全面地反映損傷的整體信息，所以單一指標(biāo)的損傷識(shí)別方法存在誤判和漏判的可能，從而降低安全評(píng)估的可靠性。因此本系統(tǒng)采用自適應(yīng)加權(quán)最小二乘法對(duì)多指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)融合（聶振華等，2011），即：

其中，Wi為對(duì)應(yīng)歸一化指標(biāo)Xi的權(quán)值。求取W使得各指標(biāo)的總方差最?。?/p>

其中，σ為各指標(biāo)的方差值。然后把式（2）代入式（1），便可得到需要的融合指標(biāo)。當(dāng)該指標(biāo)的值為“1”時(shí)，代表結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示?？梢?jiàn)，所選取時(shí)段內(nèi)，融合指標(biāo)的值圍繞著“1”上下波動(dòng)，可據(jù)此推斷橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是穩(wěn)定的。

2.3仿真和預(yù)測(cè)

快速仿真及抗震性能預(yù)測(cè)的本質(zhì)是對(duì)橋梁在載荷或地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的有限元模擬。首先對(duì)所采集到的橋梁加速度信號(hào)進(jìn)行信號(hào)降噪處理，通過(guò)參數(shù)反演計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)頻率阻尼比等有限元分析所需參數(shù)，然后應(yīng)用宏單元算法生成橋梁有限元模型，添加人工邊界，對(duì)橋梁進(jìn)行快速仿真分析。

以虎門大橋?yàn)槔捎煤陠卧▽⑵鋭澐譃?1個(gè)同步性區(qū)域，以此構(gòu)造有限元模型。利用快速仿真系統(tǒng)計(jì)算虎門大橋的動(dòng)力特性，并與通用有限元程序Ansys的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中Ansys模型采用殼單元模擬鋼箱梁、梁?jiǎn)卧M橋塔、桿單元模擬主纜和吊索，共計(jì)約200萬(wàn)個(gè)自由度。從表1可以看到采用快速仿真系統(tǒng)計(jì)算的前10階自振頻率與Ansys計(jì)算結(jié)果的誤差均在1%以內(nèi)。同時(shí)采用虎門大橋監(jiān)測(cè)臺(tái)陣記錄到的2013年河源4.8級(jí)地震記錄放大10倍作為地震動(dòng)輸入，時(shí)程曲線如圖6所示，采用本系統(tǒng)計(jì)算得到的塔頂位移時(shí)程曲線與Ansys的計(jì)算結(jié)果一致，如圖7所示，而本系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間為43.07s，明顯優(yōu)于Ansys 的3個(gè)小時(shí)，說(shuō)明仿真系統(tǒng)在保證精度的前提下可以快速完成大型橋梁的動(dòng)力特性計(jì)算。

表1　虎門大橋自振頻率計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison for the results of natural frequency of Humen Suspension bridge

圖6　地震動(dòng)時(shí)程曲線Fig.6　Seismic time history curves

圖7　虎門大橋索塔頂?shù)卣鹞灰祈憫?yīng)對(duì)比Fig.7　Comparison of seismic displacements at the top of pylon of Humen Suspension bridge

仿真的一個(gè)重要目的在于快速評(píng)估橋梁的抗震性能，根據(jù)橋梁所處的地震環(huán)境，可合成人工波或選擇天然地震波模擬未來(lái)地震作用，對(duì)這些地震波進(jìn)行降噪、去零處理后的加速度信號(hào)作為抗震性能預(yù)測(cè)的輸入，通過(guò)模擬地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，預(yù)測(cè)橋梁不同部位的地震載荷值，與橋梁的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行對(duì)比，即可估計(jì)出橋梁的薄弱環(huán)節(jié)所在，實(shí)現(xiàn)橋梁抗震性能快速預(yù)測(cè)，為橋梁維護(hù)或抗震加固提供依據(jù)。

2.4可視化集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是在J2EE架構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)的B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server）系統(tǒng)（圖8）。B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦即可，維護(hù)和升級(jí)方式簡(jiǎn)單。

圖8　B/S結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8　Schematic diagram of Browser/Server architecture

按照J(rèn)2EE架構(gòu)將系統(tǒng)分成4層：數(shù)據(jù)持久層、業(yè)務(wù)邏輯組件層、MVC模式的控制器層和表現(xiàn)層。為了與JOPENS系統(tǒng)的無(wú)縫結(jié)合，本項(xiàng)目采用Hibernate技術(shù)作為數(shù)據(jù)持久層，它對(duì)JDBC進(jìn)行了非常輕量級(jí)的對(duì)象封裝，從而使操作數(shù)據(jù)庫(kù)可以隨心所欲地使用對(duì)象編程的思維；業(yè)務(wù)邏輯層由系列的業(yè)務(wù)邏輯對(duì)象組成，這些業(yè)務(wù)邏輯對(duì)象實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需要的業(yè)務(wù)邏輯方法；MVC即Model-View-Controller，即把一個(gè)應(yīng)用的輸入、處理、輸出流程按照Model、View、Controller的方式進(jìn)行分離，這樣一個(gè)應(yīng)用被分成三個(gè)層——模型層、視圖層、控制層，如圖9所示。

本系統(tǒng)主要是解決數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、決策。為了解決這些復(fù)雜的問(wèn)題，在處理數(shù)據(jù)顯示方面，利用JOSN的跨平臺(tái)性和JavaScript交互將數(shù)據(jù)封裝為JOSN，通過(guò)JavaScript在瀏覽器進(jìn)行畫圖顯示，大大的提升了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)分析決策方面，利用Java與Matlab的公共包，通過(guò)Matlab編程后打包為jar包，實(shí)現(xiàn)Java調(diào)用Matlab，Java通過(guò)編程將各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞給Matlab，Matlab在計(jì)算后將圖形處理結(jié)果返回給J2EE系統(tǒng)，J2EE系統(tǒng)的視圖層負(fù)責(zé)將結(jié)果展示給用戶，如圖10所示。使用Matlab強(qiáng)大的工程和數(shù)學(xué)圖形庫(kù)，大大的簡(jiǎn)化了開發(fā)的復(fù)雜度，并且為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能奠定了基礎(chǔ)，并使其具有良好的擴(kuò)展性，使操作更加便利。

圖9　MVC示意圖Fig.9　Schematic diagram of Model-View-Controller

圖10　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10　Schematic diagram of system structure

在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)總體界面如圖11所示，包括了“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)瀏覽”、“數(shù)據(jù)分析”、“結(jié)構(gòu)仿真”、“綜合評(píng)估”等5個(gè)菜單，實(shí)現(xiàn)的功能分述如下：

（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包含3個(gè)子菜單：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹、數(shù)采配置和儀器標(biāo)定、日志，通過(guò)這些菜單，可以了解已建成的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器布置情況、地震地質(zhì)環(huán)境、場(chǎng)地條件、施工照片等，還可以遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與加速度計(jì)的標(biāo)定，日常監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)等。

（2）數(shù)據(jù)瀏覽?？梢詾g覽實(shí)時(shí)的橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)，或者任意橋梁、時(shí)間、通道的歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)了多種分析方法的在線分析，包括主成分分析法、小波包能量法、重構(gòu)相空間法、COC矩陣法和多指標(biāo)融合分析等。

（4）結(jié)構(gòu)仿真。通過(guò)本模塊，可以輸入不同的地震波，實(shí)現(xiàn)橋梁的快速建模、模態(tài)顯示以及地震響應(yīng)分析等。

（5）綜合評(píng)估。根據(jù)在線數(shù)據(jù)分析多指標(biāo)融合診斷結(jié)果，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀況；根據(jù)設(shè)定地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的仿真結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖11　系統(tǒng)界面圖Fig.11　System interface figure

3　結(jié)論

在對(duì)大型橋梁強(qiáng)震動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析和結(jié)構(gòu)仿真深入研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)震作用、船撞及自然破壞等情況下橋梁的安全性診斷和警報(bào)，同時(shí)，也可對(duì)未來(lái)地震環(huán)境或設(shè)定地震輸入下橋梁的破壞狀態(tài)及薄弱部位進(jìn)行預(yù)測(cè)，為大型橋梁安全運(yùn)行提供實(shí)時(shí)的在線服務(wù)。

系統(tǒng)通過(guò)自主研發(fā)優(yōu)化的多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器及其接口軟件，實(shí)現(xiàn)橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理和交互分析；利用多指標(biāo)融合評(píng)估技術(shù)，依據(jù)多損傷指標(biāo)的綜合判定結(jié)果，對(duì)橋梁安全狀況的判斷更加準(zhǔn)確可靠；通過(guò)快速數(shù)值仿真和性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁在地震荷載作用下的性能進(jìn)行快速預(yù)測(cè)，并對(duì)可能的損傷狀況進(jìn)行預(yù)判，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大橋的薄弱環(huán)節(jié)，并為橋梁改造和加固提供了科學(xué)依據(jù)。本研究開發(fā)的大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，已經(jīng)使強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)陣技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，但還存在一些有待完善的問(wèn)題，如：融合指標(biāo)評(píng)估方法的實(shí)時(shí)性還不夠高，利用強(qiáng)震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)反分析及有限元模型修正還需要作深入的研究。

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Study on Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges

Jiang Hui1，2，3），Wang Lixin1，2，3），Yan Kun1，2，3），Zhao Xianren1，2，3），Ma Hongwei4），Ding Hua5）and Nie Zhenhua4）
1）Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
2）Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Guangzhou 510070，China
4）Jinan University，Guangzhou 510632，China
5）Institute of Industry Technology，Guangzhou&Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 511458，China

Online monitoring and evaluation system of seismic safety for long-span bridge includes four aspects of technology:（1）Real-time monitoring technology of strong motion observation array based on B/S architecture；（2）Bridge health diagnostic method based on multi-index information fusion technology；（3）Fast numerical simulation technology and seismic performance evaluation method for bridge structures；（4）Bridge monitoring and evaluation systems integration and visualization system.The system enables integrate real-time collection，transmission，analysis，diagnostics，simulation and evaluation of bridge monitoring data.Differences of dynamic characteristics under initial or good conditions are analyzed and diagnosed continuously，and it can provide references for bridge maintenance and reinforcement.When the bridge suffers vessels impact or earthquakes，security status for the bridge is assessed rapidly and the structural abnormalities are alerted.And the intensity information is also provided after the destruction event.

Long-span bridges；Seismic safety；Health diagnosis；Fast numerical simulation；Online monitoring and evaluation system

廣東省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目（2012A080102008）

2015-09-21

姜慧，男，生于1964年。博士，研究員。主要從事地震工程與結(jié)構(gòu)抗震方面的研究。E-mail：jianghui@cea-igp.ac.cn