林杰珍

(泉州市交通工程規(guī)劃建設(shè)管理處 福建泉州 362000)

0 引言

大跨橋梁結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)，由于環(huán)境侵蝕材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而削弱抵抗自然災(zāi)害甚至正常環(huán)境作用的能力，加大極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故的可能性。

因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和診斷，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的災(zāi)害。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行安全性評(píng)估，已經(jīng)成為未來(lái)橋梁工程的必然要求。根據(jù)交通運(yùn)輸部 《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》(交公路發(fā)〔2007〕336號(hào)文)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTJTH21-2011)[1]《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGH11-2004)[2]以及最新的《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T1037-2016)[3]等相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)要求，橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用將起到確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)橋梁使用壽命的作用。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在北美歐洲和亞洲的一些國(guó)家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂事故，使人們意識(shí)到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。20世紀(jì)80年代后期，國(guó)外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新思路和概念，并先后開(kāi)始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測(cè)起步較晚，但發(fā)展速度較快，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院哈爾濱工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等設(shè)計(jì)科研院所，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體的系統(tǒng)性的理論研究，并進(jìn)行了大量工程應(yīng)用實(shí)踐，取得了較好的效果。

泉州灣跨海大橋總長(zhǎng)12.454km，主橋?yàn)殡p塔分幅組合梁斜拉橋，橋跨布置為(70+130+400+130+70) m=800m。大橋在全壽命期內(nèi)的安全監(jiān)管和養(yǎng)護(hù)維修工作，難度大技術(shù)復(fù)雜成本高，要求采用最新科學(xué)技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)管降低養(yǎng)管費(fèi)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。泉州灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)電子化人工巡檢管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警評(píng)估子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)。主要設(shè)備，包括超聲三向風(fēng)速儀2臺(tái)螺旋槳風(fēng)速儀1臺(tái)，溫濕度儀5臺(tái)強(qiáng)震儀3臺(tái)單向加速度計(jì)135臺(tái)壓力變送器62臺(tái)光纖光柵應(yīng)變傳感器32臺(tái)光纖光柵溫度傳感器48臺(tái)GPS 5臺(tái)傾斜儀6臺(tái)磁通量傳感器81臺(tái)，索力加速度傳感器46臺(tái)腐蝕電極4個(gè)參考電極4個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)1套船撞監(jiān)測(cè)儀及配套太陽(yáng)能等16套船撞監(jiān)測(cè)攝像機(jī)20臺(tái)拉繩式位移計(jì)12臺(tái)，監(jiān)控中心服務(wù)器機(jī)柜2套UPS 1套服務(wù)器6臺(tái)工作站3臺(tái)。系統(tǒng)核心任務(wù)是獲得橋梁在百年服役期的環(huán)境荷載交通荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)局部損傷等信息，在對(duì)監(jiān)(檢)測(cè)信息進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，獲得行車和結(jié)構(gòu)的雙重安全狀態(tài)信息，為結(jié)構(gòu)的安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)提供成套技術(shù)支持。

基此，本文擬探析泉州灣跨海大橋運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干創(chuàng)新點(diǎn)。

1 首次設(shè)計(jì)了跨海大橋斜拉橋獨(dú)立防撞墩船撞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

基于超低功耗MEMS傳感技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)，首次設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋獨(dú)立防撞墩船撞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，如圖1所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和評(píng)估了防撞墩的船舶撞擊力撞擊部位和損傷程度，為跨海斜拉橋運(yùn)營(yíng)期全天候獨(dú)立防撞墩的船撞風(fēng)險(xiǎn)管控提供技術(shù)支撐。

泉州灣大橋主航道橋涉及水域范圍廣，通航環(huán)境復(fù)雜。根據(jù)我國(guó)浙江山東福建其它的跨海大橋運(yùn)營(yíng)遇到的實(shí)際水面交通狀況，該橋主航道橋和非通航孔橋墩建成后，也面臨一定的船舶撞擊可能性。對(duì)獨(dú)立防撞墩的船撞風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，采用傳統(tǒng)有線系統(tǒng)方法存在諸多問(wèn)題和限制，比如在航道水域內(nèi)的供電問(wèn)題數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題線纜布設(shè)問(wèn)題等。

通過(guò)在獨(dú)立防撞墩上安裝了基于MEMS技術(shù)和WSN技術(shù)的超低功耗無(wú)線振動(dòng)傳感器，同時(shí)采用太陽(yáng)能方式對(duì)傳感器進(jìn)行供電，搭建跨海斜拉橋獨(dú)立防撞墩船撞風(fēng)險(xiǎn)的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，有效地解決了上述難題。傳感器內(nèi)置可充式鋰電池，在無(wú)外界供電情況下，可以持續(xù)不間斷工作一個(gè)月時(shí)間。在大橋承臺(tái)位置安裝了配套的WSN無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于實(shí)時(shí)接收防撞墩上無(wú)線傳感器采集傳輸?shù)恼駝?dòng)數(shù)據(jù)，最后經(jīng)由光纖通信設(shè)備傳輸?shù)奖O(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器上進(jìn)行處理分析。一方面，通過(guò)防撞墩頂無(wú)線傳感器采集到的撞擊荷載作用下的橋墩動(dòng)力響應(yīng)，基于優(yōu)化理論計(jì)算分析推演出船舶荷載的撞擊力。另一方面，通過(guò)撞擊荷載激勵(lì)下的橋墩動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，分析橋墩結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，并根據(jù)與相應(yīng)有限元模型結(jié)果的對(duì)比和參數(shù)識(shí)別計(jì)算，判斷撞擊力引起的結(jié)構(gòu)損傷部位和損傷程度。

圖1 獨(dú)立防撞墩船撞風(fēng)險(xiǎn)的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)示意圖

2 開(kāi)創(chuàng)設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋航道內(nèi)船舶信息和航行軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)

基于Smart IP攝像與云平臺(tái)技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋航道內(nèi)船舶信息和航行軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航道內(nèi)船舶信息和航行軌跡的視頻監(jiān)控軌跡識(shí)別動(dòng)態(tài)跟蹤和越界報(bào)警，有效地規(guī)避和降低了泉州灣跨海大橋的船撞風(fēng)險(xiǎn)，提高了全壽命周期大橋安全運(yùn)營(yíng)管理水平。

為了能夠提前預(yù)判船舶的航行軌跡并獲取船舶信息，對(duì)有撞擊防撞墩風(fēng)險(xiǎn)的船只及時(shí)預(yù)警，全橋共設(shè)置20個(gè)基于Smart IP攝像與云平臺(tái)技術(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)跟蹤記錄航道船舶動(dòng)態(tài)信息。Smart事件中可以進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)跟蹤越界偵測(cè)區(qū)域偵測(cè)等功能，通過(guò)云平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行航行軌跡繪制；偵測(cè)視頻中是否有物體跨越設(shè)置的警戒面，根據(jù)判斷結(jié)果聯(lián)動(dòng)報(bào)警；偵測(cè)視頻中是否有物體進(jìn)入到設(shè)置的區(qū)域，根據(jù)判斷結(jié)果聯(lián)動(dòng)報(bào)警。利用Smart功能進(jìn)行視頻監(jiān)控軌跡識(shí)別動(dòng)態(tài)跟蹤越界報(bào)警等軟件算法采集到的船舶信息，對(duì)船撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警；同時(shí)，在發(fā)生船撞事件后，可以與橋墩動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果結(jié)合，運(yùn)用有限元軟件模擬船舶撞擊橋墩過(guò)程，如圖2所示。

圖2 SmartIP移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警功能

3 首次設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)巡檢養(yǎng)護(hù)管理一體化平臺(tái)

基于3D可視化技術(shù)，首次設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與巡檢養(yǎng)護(hù)管理一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了跨海斜拉橋安全監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)管理的“信息化”“數(shù)字化”和“可視化”，為泉州灣跨海大橋全壽命期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)安全預(yù)警和養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)支撐。

考慮到目前大跨橋梁管養(yǎng)“信息化”“數(shù)字化”及“可視化”的最新需求，基于瀏覽器的3D展示技術(shù)WEBGL HTML5，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和橋梁構(gòu)件分解技術(shù)，采用立體化構(gòu)件化橋梁管理最新技術(shù)手段，將橋梁定期巡檢運(yùn)營(yíng)管理自動(dòng)化監(jiān)測(cè)整合在一個(gè)開(kāi)放兼容友好直觀的三維可視化管理平臺(tái)，針對(duì)性提升該橋未來(lái)管養(yǎng)科技手段。該系統(tǒng)可跨平臺(tái)使用(如WinIOS安卓)，直觀性強(qiáng)操作便捷方便，為橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域建立實(shí)用性強(qiáng)的界面展示，提供了良好的應(yīng)用方法。

三維橋梁SDK管理平臺(tái)，打破了傳統(tǒng)三維平臺(tái)“只看不管”的壁壘，創(chuàng)造性地將“看管”結(jié)合，運(yùn)用三維可視化立體化構(gòu)件化橋梁管理手段將橋梁日常業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理整合在一個(gè)開(kāi)放靈活集成的三維可視化管理平臺(tái)，并與原有軟件預(yù)留接口，通過(guò)三維可視化技術(shù)為用戶提供一個(gè)立體化的橋梁管理解決方案。平臺(tái)通過(guò)CAD 圖紙等建立精細(xì)的模型，并將模型與圖紙相關(guān)聯(lián)，借助三維構(gòu)件模型驅(qū)動(dòng)引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)橋梁構(gòu)件的靈活管理，擺脫傳統(tǒng)紙質(zhì)圖紙及二維電子圖紙存儲(chǔ)查找的不便操作，使二維平面數(shù)據(jù)和三維立體橋梁模型的交互成為可能，如圖3所示。

圖3 橋梁三維模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

4 首次設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)

基于SAN存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多重冗余備份技術(shù)，首次設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了在線多重冗余存儲(chǔ)中端存儲(chǔ)和離線存儲(chǔ)相結(jié)合的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，為使泉州灣跨海大橋運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)巡檢管理系統(tǒng)能夠發(fā)揮其重要作用提供技術(shù)保障。

圖4 基于SAN存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多重冗余備份技術(shù)示意圖

泉州灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于光纖SAN存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，構(gòu)建了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，實(shí)現(xiàn)在線多重冗余存儲(chǔ)，中端存儲(chǔ)和離線存儲(chǔ)相結(jié)合，解決了常規(guī)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)并發(fā)訪問(wèn)高速性穩(wěn)定性可靠性難題，相比傳統(tǒng)的IP SANNAS和DAS技術(shù)，存儲(chǔ)速度快，可靠性高。

5 開(kāi)創(chuàng)設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)雷擊浪涌智能防護(hù)系統(tǒng)

基于EMC技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷擊浪涌智能防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)防雷電浪涌靜電屏蔽和信號(hào)濾波自動(dòng)化預(yù)警和管理系統(tǒng)，有效保障了泉州灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為海域橋梁上的弱電系統(tǒng)，外露設(shè)備多，分布廣，容易受到電磁干擾和感應(yīng)雷的侵襲。基于智能防浪涌技術(shù)，系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有供電通信等端口處，設(shè)置多級(jí)防浪涌設(shè)備和措施。外露設(shè)備設(shè)置避雷針避雷帶接地設(shè)施等，保障系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了防浪涌自動(dòng)監(jiān)控功能，出現(xiàn)防浪涌失效接地異常情況時(shí)主動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警，第一時(shí)間提醒管理人員進(jìn)行設(shè)備檢查和更換，有效保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，相比傳統(tǒng)的防浪涌技術(shù)具有較好的可管理性。

6 結(jié)語(yǔ)

泉州灣跨海大橋全壽命期安全監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)維修難度大技術(shù)復(fù)雜養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，設(shè)計(jì)實(shí)施單位高度重視精心組織科學(xué)設(shè)計(jì)合理實(shí)施。設(shè)計(jì)方案合理技術(shù)先進(jìn)針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了大橋的荷載作用和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了泉州灣跨海大橋的數(shù)字化信息化標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化的養(yǎng)護(hù)管理。相較傳統(tǒng)的監(jiān)管手段，該系統(tǒng)能夠避免因較頻繁的橋梁檢查和檢測(cè)工作而影響正常交通秩序以及造成不良的社會(huì)影響，并在很大程度上降低了橋梁維護(hù)成本，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。