譚雪芹

摘要：橋梁健康監(jiān)測的智能化、實(shí)時化對于橋梁尤其是大型橋梁的健康安全評價起到了較大的促進(jìn)作用。基于斜拉橋-甘竹溪特大橋的健康狀況及評價要求，文章對于監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后對于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測內(nèi)容的集成方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后針對系統(tǒng)集成方案從中心數(shù)據(jù)庫、不同子系統(tǒng)和軟件集成方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文研究對于未來斜拉橋的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供一定的理論和工程應(yīng)用，對于智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的推廣起到了一定的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；健康監(jiān)測；智能監(jiān)測系統(tǒng)；應(yīng)用研究

鑒于橋梁在全壽命運(yùn)行周期范圍內(nèi)，受到環(huán)境、交通荷載、溫度荷載和其他各種荷載的作用影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)材料性能發(fā)生部分退化，造成疲勞效應(yīng)積累，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞的嚴(yán)重事故，從而造成結(jié)構(gòu)抗力降低，對于結(jié)構(gòu)的正常安全服役造成較大影響，甚至影響結(jié)構(gòu)安全。針對橋梁服役狀況的健康監(jiān)測，即在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置布置傳感器，實(shí)現(xiàn)橋梁主要構(gòu)件的自動化監(jiān)測，實(shí)施獲得橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載和相應(yīng)響應(yīng)信息，結(jié)合環(huán)境因子、荷載和結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)，通過綜合分析即可了解結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，對于橋梁服役狀態(tài)進(jìn)行評價和對于危險狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時在線分析，對于工程未來的養(yǎng)護(hù)、維修和管理提供一定的指導(dǎo)狀態(tài)。查閱當(dāng)前文獻(xiàn)，對于對于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價多采取撓度、應(yīng)力檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)相對單一，無法實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全面了解，因此本文分析了甘竹溪特大橋的工程概況和技術(shù)狀況，并針對當(dāng)前檢測情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測的必要性分析，然后對于項(xiàng)目工程的監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行了針對性分析，并對于智能監(jiān)測系統(tǒng)的集成方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后從系統(tǒng)集成方案的實(shí)現(xiàn)從中心數(shù)據(jù)庫、子數(shù)據(jù)庫和軟件集成技術(shù)方面進(jìn)行了詳細(xì)描述，本文研究對于運(yùn)營期的橋梁的養(yǎng)護(hù)和結(jié)構(gòu)安全評價提供必要的技術(shù)支持。

1.工程概況及技術(shù)狀況分析

1.1工程概況

甘竹溪特大橋?yàn)榭缭礁手裣囊蛔卮笮托崩瓨颍淇鐝讲贾脼椋?0 +115 +210）m公路-I級，橋面六車道布置，總寬38.7m。通航等級為內(nèi)河Ⅳ級航道，橋梁一跨過河，主墩落在河灘上，水中不存在墩結(jié)構(gòu)，橋下通航凈寬150.0 m，凈高8.0 m。

1.2結(jié)構(gòu)技術(shù)概況

查閱設(shè)計(jì)資料，項(xiàng)目工程結(jié)構(gòu)主要技術(shù)狀況如下所述：

1.2.1主梁構(gòu)造。主梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力砼箱梁，混凝土標(biāo)號為C55，箱梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，中心線處梁高2.8m，高跨比為1：80，高寬比1：13.82，寬跨比1：5.43。

1.2.2塔構(gòu)造。橋梁主塔為豎向雙柱結(jié)構(gòu)，且其端截面為矩形；斜拉索固定在塔壁中心，塔頂錨固區(qū)由環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成；主塔總高度為116.542 m，高跨比為1：2.07。

1.2.3斜拉索構(gòu)造。本產(chǎn)品為PE（FD）7-139-PES（FD）7-265規(guī)格雙HDPE電纜，保護(hù)低應(yīng)力半平行熱浸鍍鋅電纜。這座橋上有66對纜索。標(biāo)準(zhǔn)的縱向梁電纜間距是6m，錨孔部分的跨度是減少到3m，塔上的標(biāo)準(zhǔn)垂直電纜間距是2m，斜拉橋平面平行，兩架電纜之間的橫向間距是36.3m。

2. 針對性監(jiān)測內(nèi)容分析

根據(jù)甘竹溪特大橋安全監(jiān)測系統(tǒng)功能定位，結(jié)合甘竹溪特大橋的橋梁概況和技術(shù)現(xiàn)狀，對于橋梁的健康安全監(jiān)測內(nèi)容如下：

2.1防船撞預(yù)警

甘竹溪特大橋單跨跨越甘竹溪河道，水中無墩柱結(jié)構(gòu)，不存在橋墩防撞需求，通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河IV級，橋下通航凈寬150.0m，凈高8.0m，滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.2主梁撓度及基礎(chǔ)不均勻沉降

主梁撓度及基礎(chǔ)沉降能夠直觀的反映大橋的工作狀態(tài)及適用性，較大的變形一定程度上影響行車的安全性，橋梁結(jié)構(gòu)異常變形可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受力不利，且通過監(jiān)測變形可以了解橋梁是否處于帶損傷工作狀態(tài)，是評估橋梁健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。

2.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力

除了結(jié)構(gòu)體系引起高應(yīng)力區(qū)域外，本橋梁構(gòu)造特點(diǎn)在相應(yīng)部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時長期交通荷載和環(huán)境動荷載的作用下結(jié)構(gòu)的疲勞問題尤顯突出，應(yīng)對直接承受動荷載作用和關(guān)鍵受力構(gòu)件的疲勞性能予以重點(diǎn)關(guān)注。

2.4環(huán)境溫度

溫度，尤其是截面溫度梯度，對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)有很大的影響。由于大型橋梁結(jié)構(gòu)各部分材料、尺寸和結(jié)構(gòu)形式的不同，環(huán)境溫度和日照的變化將導(dǎo)致整個橋梁的溫度分布復(fù)雜。

2.5結(jié)構(gòu)動態(tài)特性

當(dāng)結(jié)構(gòu)整體性能發(fā)生變化時，其動態(tài)特征參數(shù)（如頻率、振型等）也會隨之變化，可作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的“指紋”。對于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的技術(shù)分析，能夠?qū)τ跇蛄簞偠群瓦吔鐥l件有充分的了解。

2.6索力

作為斜拉橋的主要傳力構(gòu)件，斜拉索起到承上啟下的作用，對上承載主梁結(jié)構(gòu)、鋪裝等荷載作用和汽車等活載作用，然后傳遞給主塔結(jié)構(gòu)。

3.智能監(jiān)測系統(tǒng)集成方案分析

3.1智能健康監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

根據(jù)實(shí)際橋梁情況和監(jiān)測要求分析，智能健康監(jiān)測系統(tǒng)包括智能傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理與傳輸子系統(tǒng)、損傷識別與模型修正子系統(tǒng)、安全評估子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。對于智能健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的核心，且其儲存的橋梁施工信息、幾何信息、監(jiān)測信息和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的核心，能夠有限實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示。

3.2健康監(jiān)測系統(tǒng)集成方案分析

鑒于智能監(jiān)測系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能的軟硬件組成，因此實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的物理、邏輯和相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)信息資源的貢獻(xiàn)、維護(hù)及管理的自動化，是系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)的目的；關(guān)于系統(tǒng)集成，其目標(biāo)如下：（1）實(shí)現(xiàn)對于不同子系統(tǒng)的控制和管理，同時實(shí)現(xiàn)對于子系統(tǒng)的界面管理，方便用戶操作；（2）開放式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠有效實(shí)現(xiàn)信息資源共享。系統(tǒng)集成方案為子系統(tǒng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)開放平臺，供不同子系統(tǒng)自由選擇平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)，充分實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。

4.系統(tǒng)集成方案的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1中心數(shù)據(jù)庫方案

鑒于中心數(shù)據(jù)庫的建立主要是為了橋梁結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息的存儲，作為橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，需要滿足以下功能：

有組織、動態(tài)存儲橋梁結(jié)構(gòu)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，供多用戶訪問；同時實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)和不同部位數(shù)據(jù)共享、交叉訪問，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間的相對獨(dú)立和聯(lián)合，同時對于網(wǎng)絡(luò)上層與管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的連接作用得到充分發(fā)揮。

實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)的快速存儲，這是因?yàn)閷τ谥行臄?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)狀態(tài)，均隨著監(jiān)測對象動態(tài)變化而發(fā)生變化。

作為一個平臺，中心數(shù)據(jù)庫需要實(shí)現(xiàn)不同功能模塊數(shù)據(jù)傳輸、交換和共享。

4.2各子系統(tǒng)及其軟件方案

4.2.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及其軟件。鑒于健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測需求，因此在采集數(shù)存在異常時，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)調(diào)用和觸動相關(guān)模塊工作的作用，因此數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)需要能夠觸發(fā)其他軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和實(shí)時分析。

當(dāng)前，存在多種平臺供數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)用。對于數(shù)據(jù)采集軟件編程，從最初C語言、Visual Basic 和Visual C++語言，逐步發(fā)展到當(dāng)前的可視化編程語言，成為當(dāng)前領(lǐng)先的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和分析平臺。本項(xiàng)目子系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選擇LabWindows/LabVIEW。

4.2.2損傷識別、模型修正與結(jié)構(gòu)安全評定子系統(tǒng)。建立智能監(jiān)測系統(tǒng)的目的是為了實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)營的實(shí)時評價和預(yù)警，對于未來橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營和維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)針對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如橋梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載和相應(yīng)的響應(yīng)信息進(jìn)行分析。

利用MATLAB開發(fā)損傷識別軟件，鑒于損傷數(shù)據(jù)的針對性，因此應(yīng)提前建立橋梁損傷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，將損傷識別結(jié)果提前儲存于中心數(shù)據(jù)庫。

針對結(jié)構(gòu)的模型修正，可以分為基于全局采集信息的數(shù)據(jù)更新和基于局部數(shù)據(jù)的模型更新，通過進(jìn)行數(shù)據(jù)庫分析，可以得到結(jié)構(gòu)的動力相應(yīng)以及局部的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。通過整體和局部的有限元修正，可以將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間的誤差降到最低，上述功能可以通過MIDAS、ANSYS和MATLAB等相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)。

4.3軟件集成技術(shù)

針對智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件集成，需要實(shí)現(xiàn)以下兩個方面：一方面是系統(tǒng)間接口、調(diào)用和相關(guān)觸發(fā)機(jī)制，另一方面則是軟件與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)相關(guān)的接口和通信功能。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置一定的閾值可以實(shí)現(xiàn)MATLAB對于相關(guān)子程序的調(diào)用。當(dāng)采集器采集到的信號值與閾值進(jìn)行對比分析時，誤差超過相關(guān)閾值時，則應(yīng)調(diào)用MATLAB進(jìn)行損傷的相關(guān)分析。

當(dāng)識別結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷時，則調(diào)用有限元分析軟件如ANSYS或MIDAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載能力分析，通過批處理方法執(zhí)行相應(yīng)的命令流，從而實(shí)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)的模型修正分析。

關(guān)于不同子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的通訊，可以通過調(diào)用MATLAB的數(shù)據(jù)工具箱實(shí)現(xiàn)。針對智能監(jiān)測系統(tǒng)中的模態(tài)和損傷識別程序，可以從數(shù)據(jù)庫中讀取原始數(shù)據(jù)，通過與實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)對于橋梁健康狀況的實(shí)時評價，相關(guān)通信流程如圖2所示。

5.結(jié)束語

在建立橋梁結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測、診斷、評估和維護(hù)管理的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文針對甘竹溪特大橋的技術(shù)狀況，分析了智能監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)、工作機(jī)理和軟件實(shí)現(xiàn)流程，實(shí)現(xiàn)了對于斜拉橋健康狀況的實(shí)時在線監(jiān)測。鑒于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面較為廣泛，如結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)分析、傳感器監(jiān)測書、計(jì)算機(jī)通信和數(shù)據(jù)管理問題，目前雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一定的功能，但對于傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別、結(jié)構(gòu)損傷和安全評估方面還有待進(jìn)一步的研究，希望隨著未來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)技術(shù)難題會進(jìn)一步得到解決，對于橋梁的健康服役狀況進(jìn)行較為恰當(dāng)?shù)脑u價。

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