程起光 唐登維 熊文豪

(1.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 610047； 2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 611730)

1 工程概況

成都市紅星路南延線跨府河大橋位于新會展以東，毗鄰會展段規(guī)劃濱河公園，跨越府河后接中和鎮(zhèn)街道，采用(44+150+55)m的孔跨布置，橋長255.3 m。主梁采用雙縱箱+格子梁結(jié)構(gòu)形式，位于平曲線內(nèi)，為3跨連續(xù)全鋼結(jié)構(gòu)。拱肋由混凝土拱腳段和鋼箱拱肋段組成，南北兩條獨自向外傾斜的拱肋分別位于各自的傾斜平面內(nèi)，且外傾角度不同，拱肋間沒有任何橫向聯(lián)系，兩條拱肋于主梁下交匯，與拱頂遙相分隔，通過傾斜的吊索支承主梁。拱和梁上各布置40處吊點構(gòu)造，吊索在平面上以路線圓曲線為基準(zhǔn)徑向布置，每處吊點均設(shè)置兩根，系桿設(shè)置于梁底部，共設(shè)置12根系桿索，分別錨固于南拱和北拱的混凝土拱肋段。該橋為連續(xù)鋼梁與系桿拱橋的組合體系，既有連續(xù)梁的受力特點也有拱橋特征，且吊桿角度不一，主梁存在不平衡橫向水平分力，為使結(jié)構(gòu)空間體系穩(wěn)定，系桿采用曲線布置，主跨以橫梁體系受力為主，邊跨以縱梁體系受力為主，結(jié)構(gòu)類型特殊、受力較為復(fù)雜(見圖1)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)、日常人工巡檢子系統(tǒng)、視頻聯(lián)動子系統(tǒng)構(gòu)成，以實現(xiàn)監(jiān)測、診斷和狀態(tài)評估等功能。該大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的組成如圖2所示，包括下列五個子系統(tǒng)。

傳感器子系統(tǒng)包括溫度、應(yīng)變、位移、振動等各類傳感器，為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)提供信號輸入；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)包括由各類采集設(shè)備組成的現(xiàn)場基站與相關(guān)配套軟硬件設(shè)施，通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行信號轉(zhuǎn)化將信息傳送至數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)用于控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)的二次處理、向結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)提供有效的信息源；結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)由評估工作站、服務(wù)器和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成，用于對橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)及安全性等作出及時判斷以及數(shù)據(jù)的歸檔存儲，目的是使橋梁處于受控狀態(tài)，保障橋梁安全；人工日常巡檢子系統(tǒng)主要是系統(tǒng)巡查管理人員對監(jiān)測分析的異常情況以及橋梁的結(jié)構(gòu)情況進行人為驗證。

3 健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 監(jiān)測對象以及測點布置

橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)沒有必要設(shè)計的“五花八門”，應(yīng)本著簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟合理的設(shè)計理念并結(jié)合具體的自然環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點以及運營期對橋梁結(jié)構(gòu)安全評估的綜合要求，通過建立有限元模型對橋梁進行分析，選擇出結(jié)構(gòu)的易損點、關(guān)鍵部位和日常檢查比較困難的部位作為監(jiān)測對象布置測點重點監(jiān)測。由于該橋梁為蝴蝶拱橋，受力情況較為復(fù)雜，故根據(jù)該橋梁特點，主要監(jiān)測其結(jié)構(gòu)溫度，主梁、主拱、拱腳變位，主拱、主梁截面應(yīng)力，橋梁結(jié)構(gòu)動力性能，吊桿索力，系桿索索力這些方面。具體測點及傳感器布置情況如表1所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸兩個單元模塊組成，數(shù)據(jù)采集模塊主要通過給傳感器設(shè)定固有頻率與高速不間斷頻率對結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)實施采集，在兼顧數(shù)據(jù)高精確性、高同步性、靈活性以及傳感器維護性的同時，也為橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全評估提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊是由光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)連接到數(shù)據(jù)采集單元，再由數(shù)據(jù)采集單元整合后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器。

3.3 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)存儲三個單元模塊，數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進行取最值、計算均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差的預(yù)處理，以及對數(shù)據(jù)的時域、頻域、時頻域進行分析顯示；數(shù)據(jù)管理模塊旨在構(gòu)造多層次相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，直接以數(shù)據(jù)庫方式存儲各類型數(shù)據(jù)，在降低數(shù)據(jù)的存儲資源耗用的同時，又提高了數(shù)據(jù)存儲與管理效率；為進一步提高數(shù)據(jù)的管理效率，將數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)定為分布/集中式存儲結(jié)構(gòu)，監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)先存儲在一級存儲設(shè)備即磁盤陣列上，當(dāng)陣列空間不足時將歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到二級存儲設(shè)備即磁帶上。整個一級存儲設(shè)備上按就近時間保存一年的原始數(shù)據(jù)。對于視頻數(shù)據(jù)采用循環(huán)存儲方式，對其他傳感器異常超限階段數(shù)據(jù)劃定一定時限額外保存。

表1 橋梁傳感器布置情況表

3.4 結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)分為健康預(yù)警、結(jié)構(gòu)健康評價兩個模塊單元。

1)健康預(yù)警模塊：健康預(yù)警模塊對大橋進行實時在線監(jiān)測，根據(jù)定期檢查等歷史資料，利用統(tǒng)計法、時間序列法等手段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時前處理和分析，若發(fā)現(xiàn)健康預(yù)警指標(biāo)出現(xiàn)明顯的異常變化，則立即發(fā)出預(yù)警信號并調(diào)出相應(yīng)位置處的視頻監(jiān)控畫面進行觀察，必要時刻立即中斷交通，為緊急災(zāi)害處理提供有力的依據(jù)。

2)結(jié)構(gòu)健康評估模塊：健康評價模塊綜合考慮了定期檢查、特殊檢查和長期監(jiān)測的優(yōu)勢，可以對橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前的技術(shù)狀況進行評價，也可以對結(jié)構(gòu)承載力進行一定程度的預(yù)測和評價，通過對獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)以及歷史檢測資料的分析計算，生成評估報告，管養(yǎng)單位可以評估報告為日常養(yǎng)護工作依據(jù)，指導(dǎo)養(yǎng)護工作。

3.5 人工日常巡檢管理子系統(tǒng)

以健康監(jiān)測為主、人工日常巡檢為輔的健康監(jiān)測管理方法已成為智能化管理趨勢。通過大數(shù)據(jù)手段分析監(jiān)測數(shù)據(jù)評估橋梁運營狀態(tài)的同時輔以人工巡查校驗，更進一步的完善了橋梁的智能化管理技術(shù)，通過對橋梁結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件進行人為檢查(日常檢查、主要檢查、重點檢查、全面檢查)，并制定相應(yīng)的巡檢養(yǎng)護手冊，設(shè)定詳細的電子化人工巡檢內(nèi)容，對橋梁的重要構(gòu)件承載情況進行人為檢測，可達到更加智能化、精確化、數(shù)字化的管理。

3.6 視頻聯(lián)動子系統(tǒng)

在分析監(jiān)測數(shù)據(jù)并評估橋梁運行狀態(tài)的同時更直觀的了解監(jiān)測橋梁實際承載情況，建立視頻聯(lián)動監(jiān)測模塊，通過監(jiān)控攝像獲取的橋面荷載信息，可為進一步分析提供直觀的信息，也可以監(jiān)測橋上超載車輛的情況，并做下記錄，以便為橋梁健康評估提供實證。

視頻聯(lián)動子系統(tǒng)功能由控制平臺以及視頻服務(wù)器兩個模塊體現(xiàn)：

控制平臺的主要功能是通過設(shè)備接入后臺，對前端視頻服務(wù)器的設(shè)備IP、中心IP、網(wǎng)關(guān)IP、設(shè)備編號、邏輯名等進行初始化注冊。隨后對控制平臺下的中心存儲服務(wù)器、數(shù)字顯示終端、中心控制臺等進行初始化設(shè)定。時間同步功能是將各系統(tǒng)設(shè)備和中心管理服務(wù)器時間自動同步，實現(xiàn)用戶遠程網(wǎng)絡(luò)管理功能，消除時域的限制；由于部分信息屬于管理部門的機密信息，因此需設(shè)多重網(wǎng)絡(luò)身份識別單元，授予操作人員管理權(quán)限，驗證用戶合法性，防止非法使用和操作給社會治安帶來負面影響。此外，若出現(xiàn)系統(tǒng)故障或突發(fā)情況，平臺會自動進行備份重啟，避免數(shù)據(jù)積壓、堆積造成不必要的數(shù)據(jù)浪費。

另外，平臺具備心跳信息檢測功能，通過現(xiàn)場設(shè)備所具備的自診斷功能將設(shè)備運行狀態(tài)信息傳輸至平臺管理人員處，以供相關(guān)人員對系統(tǒng)運行情況進行判斷；同時用戶可以增加、刪除、修改用戶信息，便于將來查詢修改，提高規(guī)范化管理水平(見圖3)。

4 結(jié)語

根據(jù)本橋具體結(jié)構(gòu)和環(huán)境特點，有針對性地構(gòu)建了由傳感測試、網(wǎng)絡(luò)傳輸、結(jié)構(gòu)分析等多種技術(shù)集成的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有直觀的人機交互界面，通過趨勢圖反映橋梁的實際運行情況；通過分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估橋梁實際承載狀態(tài)，為日常的橋梁運營維護管理提供了有利的科學(xué)依據(jù)。

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