韋衛(wèi)

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

1.1 項(xiàng)目工程背景

堡子坪大橋位于G312上海至霍爾果斯安定段，中心樁號(hào)K2048+059。堡子坪大橋?qū)儆赥形鋼構(gòu)組合梁，是國(guó)道312定西段重要的交通運(yùn)輸橋梁。堡子坪大橋立面照如圖1所示，平面照如圖2所示。

圖1 堡子坪大橋立面照

圖2 堡子坪大橋平面照

在橋梁設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)維修的整個(gè)生命周期內(nèi)，橋梁不可避免地會(huì)因各類因素影響或共同作用而產(chǎn)生缺陷或病害，甚至部分橋梁在交通或者環(huán)境的偶發(fā)作用下會(huì)出現(xiàn)突發(fā)的橋梁災(zāi)難性事件。

根據(jù)交通運(yùn)輸部（交公路發(fā)〔2007〕336號(hào)文件）關(guān)于印發(fā)《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》的通知要求，堡子坪大橋橋梁的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)管系統(tǒng)需要將實(shí)時(shí)監(jiān)管技術(shù)與制度化、專業(yè)化的人工巡檢（包括檢測(cè)）機(jī)制相結(jié)合，“由內(nèi)而外、由表及里”地全面監(jiān)管結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)使用狀態(tài)，為制定針對(duì)性、高效性與及時(shí)性的養(yǎng)護(hù)維修方案措施提供輔助決策依據(jù)。

方案針對(duì)堡子坪大橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境特點(diǎn)以及橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)面臨的危險(xiǎn)源劃分為結(jié)構(gòu)損傷和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不利性改變兩大類，并根據(jù)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平提出針對(duì)不同危險(xiǎn)源情況的監(jiān)測(cè)和巡檢養(yǎng)護(hù)手段策略，針對(duì)性地服務(wù)于橋梁百年的運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)。

（1）拱橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不利性改變主要通過(guò)自動(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)進(jìn)行代表性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的監(jiān)測(cè)，監(jiān)管目標(biāo)是根據(jù)監(jiān)測(cè)及加載計(jì)算推斷全橋類似結(jié)構(gòu)的安全承載能力，重在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體或局部受力及狀態(tài)變化的掌控。

（2）養(yǎng)管人員可到達(dá)的橋梁構(gòu)件內(nèi)外表面在結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)不可避免地將出現(xiàn)表觀損傷，則主要通過(guò)電子化人工巡檢子系統(tǒng)在基于風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)上目標(biāo)性巡查可視的損傷或病害，重在按巡檢養(yǎng)護(hù)軟件上分解的結(jié)構(gòu)各構(gòu)件既定的巡檢程序和設(shè)定的巡檢內(nèi)容，有計(jì)劃地檢查并規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)地記錄橋梁構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)物（附屬構(gòu)造）以及附屬設(shè)施的表觀損傷或病害，監(jiān)管目標(biāo)是保障其能夠得到及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、合理的維護(hù)和維修。

堡子坪大橋巡檢（檢測(cè)）與監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]結(jié)合如圖3所示。

圖3 巡檢（檢測(cè)）、監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合

1.2 總體思路

1.2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)主要參照以下標(biāo)準(zhǔn)：大橋設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、大橋主橋設(shè)計(jì)圖冊(cè)、《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CECS333—2012）。

1.2.2 總體思路

針對(duì)上述背景及設(shè)計(jì)方案，建立一個(gè)長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并及時(shí)預(yù)警。

該系統(tǒng)以帶有操作系統(tǒng)功能的系統(tǒng)操作軟件為平臺(tái)，以數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為核心，以在線傳感器[2]系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息查詢系統(tǒng)、管理應(yīng)用系統(tǒng)為外圍應(yīng)用功能，具有良好的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、兼容性、可靠性、容錯(cuò)性和易操作性的開(kāi)放式模塊化構(gòu)架。

該監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具備的主要功能如下：主橋兩端伸縮位移監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)、動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、鋼混結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)、主梁整體撓度監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、結(jié)構(gòu)安全檔案管理、用戶訪問(wèn)支持與控制。

1.2.3 總體目標(biāo)

堡子坪大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)巡檢管理系統(tǒng)（PuzipingBridgestructuresafetymonitoringandinspectionmanagementsystem，以下簡(jiǎn)稱“PBSMAIMS系統(tǒng)”）的設(shè)計(jì)及實(shí)施工作，力求利用當(dāng)代傳感測(cè)試技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、光電子信息技術(shù)、橋梁計(jì)算分析技術(shù)等最新科技成果構(gòu)建堡子坪大橋運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)的使用，盡可能達(dá)到并延長(zhǎng)設(shè)計(jì)期許的橋梁安全使用壽命，系統(tǒng)預(yù)達(dá)如下目標(biāo)：

（1）堅(jiān)持以“全壽命周期內(nèi)的監(jiān)管養(yǎng)護(hù)”為目標(biāo)，針對(duì)性地建立堡子坪大橋的數(shù)字化、信息化檔案，服務(wù)于堡子坪大橋運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)管養(yǎng)護(hù)工作。

（2）定制并規(guī)范橋梁全壽命期的養(yǎng)護(hù)維修，力求進(jìn)行主動(dòng)管養(yǎng)，輔助大橋管養(yǎng)者制定預(yù)防性、高效、經(jīng)濟(jì)、合理的養(yǎng)護(hù)措施，降低橋梁災(zāi)難性事故發(fā)生的概率，努力達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壽命。

（3）及時(shí)“感知橋梁”，盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)自身及行車所面臨的危險(xiǎn)狀況，在橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段發(fā)出預(yù)警；有效地監(jiān)管運(yùn)營(yíng)期橋梁的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)。

（4）收集橋梁自然及運(yùn)營(yíng)環(huán)境、結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展以及橋梁安全監(jiān)測(cè)國(guó)家及行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

2 堡子坪大橋健康監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

根據(jù)堡子坪大橋結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括兩端伸縮位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)溫度、動(dòng)力特性、裂縫和主梁整體撓度監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)方案選用拉線式位移計(jì)、表面應(yīng)變計(jì)、溫度傳感器、加速度計(jì)、拉桿式位移計(jì)和靜力水準(zhǔn)對(duì)上述力學(xué)物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。傳感器布置方案如圖4和圖5所示。

圖4 傳感器布置示意圖

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案

（1）橋梁撓度監(jiān)測(cè)[3]。在西側(cè)橋頭水平參考點(diǎn)處安裝一套光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀，作為橋梁撓度的參考點(diǎn)；在橋梁的第一跨3/4斷面、第二跨1/3及2/3斷面、第三跨3/4斷面、第四跨端部分別安裝一套光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀，作為撓度監(jiān)測(cè)傳感器。

（2）橋梁應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)。在橋梁第一跨3/4斷面、第二跨中、第三跨3/4斷面處分別安裝4套表面式應(yīng)變計(jì),應(yīng)變傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁應(yīng)變變化情況。在應(yīng)變傳感器相同位置安裝相同數(shù)量的溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償。

（3）主橋兩端伸縮位移監(jiān)測(cè)。在橋梁東西兩側(cè)即第一跨和第三跨兩端與引橋交界處分別安裝一套光纖光柵拉線式位移計(jì)。

（4）橋梁動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)。在橋梁的1號(hào)橋墩、2號(hào)橋墩與主梁結(jié)合處共布設(shè)6個(gè)光纖光柵式加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)橋梁的動(dòng)態(tài)特性。

（5）橋梁裂縫監(jiān)測(cè)。在1號(hào)橋墩墩頂箱梁內(nèi)、2號(hào)橋墩墩頂箱梁內(nèi)和跨中出現(xiàn)裂縫的位置安裝光纖光柵式拉桿位移計(jì)，該位移傳感器可以監(jiān)測(cè)裂縫的變化狀況。

（6）橋梁視頻監(jiān)控。為保證橋梁運(yùn)行安全，在橋梁北端安裝夜視紅外攝像機(jī)進(jìn)行車輛識(shí)別、圖像保存。

3 橋梁健康監(jiān)測(cè)總體架構(gòu)

橋梁健康監(jiān)測(cè)總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

3.1 光纖光柵傳感系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由光纖光柵解調(diào)儀、現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵傳感器、傳輸光纜、軟件組成。

3.2 數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)所有監(jiān)測(cè)傳感器在同一個(gè)截面的串聯(lián)在一根光纜上，所有截面的光纜并聯(lián)到傳輸主纜上，采用一臺(tái)光纖光柵解調(diào)儀，用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變、溫度、撓度、裂縫開(kāi)合度、兩端伸縮、振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，光纖光柵解調(diào)儀布置在北頭箱梁內(nèi)部。橋梁數(shù)據(jù)管理、分析功能為橋梁整體情況提供可靠數(shù)據(jù)，并給出維護(hù)依據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、顯示，方便不同用戶查看；具有預(yù)警、報(bào)警功能，可及時(shí)維護(hù)橋梁，減少不必要的安全事故與損失；故障自診斷，鏈路、傳感器故障及位置均可自檢，及時(shí)查出與更換損壞設(shè)備，避免漏檢；可實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢查與監(jiān)測(cè)。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸分析系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵傳感系統(tǒng)采用光纜傳輸，傳感器通過(guò)光纖接入現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵解調(diào)儀。光纖光柵解調(diào)儀監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)以及視頻圖像通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心服務(wù)器。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由云服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集分析軟件和支持大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集分析軟件負(fù)責(zé)向前端采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令并接收前端采集系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，并依據(jù)預(yù)設(shè)的閾值對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行告警。云數(shù)據(jù)中心采用大數(shù)據(jù)架構(gòu)搭建，能容納海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并能進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)特點(diǎn)：本系統(tǒng)完整，符合結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；采用先進(jìn)的光纖光柵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)所有參數(shù)統(tǒng)一設(shè)備采集，單系統(tǒng)可接幾百個(gè)傳感器；距離集中測(cè)量與分散測(cè)量?jī)上嘁?，可?shí)現(xiàn)20km遠(yuǎn)傳輸，避免系統(tǒng)分散；光纖光柵技術(shù)性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，抗電磁干擾，避免系統(tǒng)短期癱瘓，發(fā)揮長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)效益；軟件系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、無(wú)線遠(yuǎn)傳。

4 健康監(jiān)測(cè)[4]平臺(tái)

健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、云數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測(cè)預(yù)警客戶端四大部分構(gòu)成。平臺(tái)整體架構(gòu)如圖7所示。

（1）前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由一系列能準(zhǔn)確測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)土力學(xué)參數(shù)的測(cè)量傳感器及相應(yīng)的電源、避雷裝置、機(jī)箱、電纜等設(shè)備構(gòu)成。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)線通信技術(shù)將采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回到數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)同時(shí)兼容三大運(yùn)營(yíng)商3G/4G網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率快，可保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

（3）監(jiān)測(cè)預(yù)警客戶端。包含PC客戶端、平板電腦客戶端和手機(jī)客戶端，客戶端提供系統(tǒng)管理與配置、數(shù)據(jù)瀏覽與查詢、數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能，也可實(shí)現(xiàn)不同橋梁結(jié)構(gòu)的分級(jí)管理。

5 運(yùn)行維護(hù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的維護(hù)指對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)，主要包括監(jiān)視數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行、數(shù)據(jù)一致性檢查、磁盤空間檢查、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)等。有效的運(yùn)行維護(hù)是保證系統(tǒng)建成后能切實(shí)發(fā)揮效用的重要保障措施，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的定期和不定期檢查和維護(hù)，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理，并登記在冊(cè)。

圖7 系統(tǒng)整體架構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

堡子坪大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)以帶有操作系統(tǒng)功能的系統(tǒng)操作軟件為平臺(tái)，以數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為核心，以在線傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息查詢系統(tǒng)、管理應(yīng)用系統(tǒng)為外圍應(yīng)用功能，具有擁有良好的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、兼容性、容錯(cuò)性和易操作性的開(kāi)放式模塊化構(gòu)架。建立一個(gè)長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并及時(shí)預(yù)警，為相關(guān)工程提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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