徐文城 岳 川 金 耀

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088； 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000)

嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究★

徐文城1岳 川2金 耀1

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088； 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000)

針對(duì)嘉紹大橋運(yùn)營(yíng)環(huán)境和特殊的結(jié)構(gòu)形式，研發(fā)了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了橋梁環(huán)境參數(shù)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的整體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，橋梁結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)屿o力指標(biāo)的有效識(shí)別和安全評(píng)估。

橋梁，安全評(píng)估，響應(yīng)監(jiān)測(cè)，傳感器

0 引言

嘉紹大橋是跨越錢塘江連接嘉興和紹興兩地的一座特大型橋梁，其處于杭州灣經(jīng)濟(jì)帶的中部，總長(zhǎng)10.137 km。嘉紹大橋主橋采用主跨428 m的六塔四索面分幅鋼箱梁斜拉橋，跨中設(shè)置剛性鉸。具體橋跨布置為70+200+5×428+200+70=2 680 m。嘉紹大橋主航道橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，構(gòu)造新穎，運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)難度大。因此，為了滿足特大型橋梁的管養(yǎng)需求，實(shí)時(shí)掌控大橋的營(yíng)運(yùn)狀況和內(nèi)力狀態(tài)，有必要采用現(xiàn)代化、智能化、信息化手段進(jìn)行大橋運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)管。

嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用傳感測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、橋梁計(jì)算分析技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等最新技術(shù)研發(fā)構(gòu)建的符合大橋運(yùn)營(yíng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)特殊性的“橋梁感知系統(tǒng)”[1，2]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁環(huán)境參數(shù)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的整體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，橋梁結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)屿o力指標(biāo)的有效識(shí)別和動(dòng)態(tài)安全評(píng)估，為大橋的養(yǎng)護(hù)管理及安全運(yùn)營(yíng)提供了重要的技術(shù)支撐，提高了大橋的長(zhǎng)期服役能力、延長(zhǎng)了使用壽命。

1 嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

總體來說，嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下模塊：

1)傳感器部分。將所要測(cè)試的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

2)數(shù)據(jù)采集與傳輸部分。實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的采集并將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)的傳輸。

3)數(shù)據(jù)處理與控制。將監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，提取特征值，通過此模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集參數(shù)的控制，如采集頻率等。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

5)數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警模塊。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示并接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入。

嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為荷載源、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)兩大部分監(jiān)測(cè)內(nèi)容[3]：主要包括測(cè)量風(fēng)參數(shù)的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)，環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)及車輛載荷監(jiān)測(cè)；典型截面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，主梁和索塔的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，索塔偏位監(jiān)測(cè)，主梁線型監(jiān)測(cè)及梁端位移監(jiān)測(cè)。

因此，傳感器部分中采用了風(fēng)速儀、溫濕度儀、動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、加速度計(jì)、GPS、壓力變送器、位移計(jì)等。

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共分為三個(gè)環(huán)網(wǎng)：1)視頻數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)；2)左幅數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)；3)右幅數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸部分由交換機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，光纖為傳輸介質(zhì)。光纖鏈路將外場(chǎng)的采集設(shè)備串聯(lián)組成光纖數(shù)據(jù)冗余環(huán)網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸[4-6]。

1.4 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)界面軟件等。數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的采集標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的畸點(diǎn)剔除、數(shù)據(jù)的二次處理、特征值的提取。以上原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)均將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊中,數(shù)據(jù)界面軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用

截取一定的時(shí)間片段，對(duì)嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的

數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際分析，以確定和驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際效用,如圖3～圖5所示。

從以上嘉紹大橋某特殊事件中的典型數(shù)據(jù)曲線分析可以得出:

1)嘉紹大橋紹興方向14時(shí)～15時(shí)車流量明顯減少，大橋紹興方向開始封閉，14時(shí)～15時(shí)車流量為大橋封閉前的車流量；嘉紹大橋紹興方向15時(shí)～16時(shí)車流量較上一小時(shí)顯著增加，大橋在此時(shí)間段內(nèi)車輛開始放行，解除封閉。

2)較短時(shí)間內(nèi)，橋上的荷載較平時(shí)稍微有所增加，很快便恢復(fù)到正常水平。

3)索力未見明顯增加或減小，表明車輛荷載同正常通行情況下相比無(wú)明顯增大。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)嘉紹大橋特殊的運(yùn)營(yíng)環(huán)境特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，有針對(duì)性地研究了系統(tǒng)的架構(gòu)、布點(diǎn)、組網(wǎng)及軟件，從而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)行表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足大橋管養(yǎng)需求。嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能反映出大橋的實(shí)際荷載響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的安全評(píng)估。

[1] Ou J. Some Recent Advances of Intelligent Health Monitoring Systems for Civil Infrastructures in Mainland China[A].proceedings of the Proceeding of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure[C].Tokyo, Japan,2003.

[2] H Wenzel.Health Monitoring of Bridges [M].New York:John Wiley & Sons,Ltd,2009.

[3] JT/T 1037—2016,公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 張啟福．應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布式測(cè)控系統(tǒng)的研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士論文，2010.

[5] 張啟福,吳學(xué)杰,柴秀英．基于CAN總線的橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(3)：98-100．

[6] 陳紅波.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)碩士論文,2006.

Research of structural safety monitoring system for Jiashao Bridge★

Xu Wencheng1Yue Chuan2Jin Yao1

(1.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd,Beijing100088,China; (2.ZhejiangJiashaoCross-RiverBridgeInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd,Shaoxing312000,China)

In view of the operating environment and the special structure of Jiashao Bridge, research and development structural safety monitoring system. And the environmental parameters and structural response of bridge is monitored real-timely. The main dynamic and static indexes of bridge structure is identified effectively and assessed safely.

bridge, safety evaluation, response monitoring, sensor

1009-6825(2017)20-0166-02

2017-04-19★：國(guó)際科技合作專項(xiàng)目(No.2015DFG82080)

徐文城(1987- )，男，碩士，工程師

U445.7

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