步樂(lè)樂(lè)，王 曼

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代橋梁跨徑越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越輕柔，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性日益引起工程師的關(guān)注[1]。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握大型橋梁的工作性能，開展實(shí)施橋梁運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)意義重大。本文以某大跨度曲線梁鋼拱橋（下文簡(jiǎn)稱大橋）工程為例，通過(guò)運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度的診斷，及對(duì)橋梁服役情況進(jìn)行智能評(píng)估，確保大橋在特殊天氣、交通條件下，或遭受撞擊時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁養(yǎng)護(hù)管理的科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體功能概述

1.1 總體概述

大橋主跨跨度300 m，由曲線鋼主梁、兩條傾斜鋼箱拱肋、傾斜吊桿、肋間平臺(tái)及系梁等構(gòu)件組成。橋型總體布置如圖1所示。

圖1 橋型總體布置

根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了功能齊備、性能完善、經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)、檢查及維護(hù)子系統(tǒng)、檔案管理與用戶支持子系統(tǒng)。大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖2所示。

大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段[2]獲取橋梁結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境信息及自身的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行診斷與評(píng)估[3-4]，確保管養(yǎng)單位及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握橋梁健康狀況。

圖2 大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成架構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原則

大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）采用相對(duì)成熟的技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定；

（2）采用模塊化設(shè)計(jì)，確保各系統(tǒng)的替換性、經(jīng)濟(jì)性，并滿足后續(xù)系統(tǒng)迭代升級(jí)、功能擴(kuò)展等需求；

（3）設(shè)置適度冗余的傳感器及其他感知設(shè)備，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；

（4）將實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和定期監(jiān)測(cè)相結(jié)合，減少數(shù)據(jù)采集量，降低后臺(tái)數(shù)據(jù)處理難度；

（5）數(shù)據(jù)處理模塊應(yīng)滿足功能強(qiáng)大、界面友好、設(shè)置合理等要求，以利于提高后期數(shù)據(jù)分析效率。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)做出準(zhǔn)確客觀的評(píng)估，取決于數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng)能否及時(shí)獲取真實(shí)反映大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征信息。該工程數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站（感知層）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)站（存儲(chǔ)層）和信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)（傳輸層）組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站由多個(gè)性能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集模塊組成，以確保系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和耐久性。

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)速儀，傾角儀和應(yīng)力、應(yīng)變傳感器等高精度傳感設(shè)備采集橋梁的狀態(tài)數(shù)據(jù)，便于提前發(fā)現(xiàn)并鎖定損傷位置。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要分為三大類如下：

（1）環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)等，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握大橋所處環(huán)境的狀況。

（2）橋梁幾何狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括拱肋變位及扭轉(zhuǎn)、主梁撓度、支座、伸縮縫位移等。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括拱肋及箱梁應(yīng)力、吊桿及系桿索力等，以便掌握大橋的實(shí)際受力狀態(tài)和工作狀況。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用專用通信光纜[5]，借助點(diǎn)對(duì)點(diǎn)獨(dú)立傳輸體系進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃訹6]。數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)處理

大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)南伸縮縫西側(cè)支座全天線性曲線推送的數(shù)據(jù)量極大，若對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將占用大量資源，并且海量數(shù)據(jù)中無(wú)效成分較多，將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)分析算法的執(zhí)行效率。因此，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取前，應(yīng)提前進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、集成、轉(zhuǎn)換、離散等工作，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)處理操作采用基于MATLAB和LabVIEW等平臺(tái)開發(fā)的專用軟件，運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和信號(hào)分析方法進(jìn)行時(shí)域、頻域的參數(shù)識(shí)別處理[7-8]。

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用如下方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

（1）以大橋整體和局部有限元計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，將MATLAB作為數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

（2）分析單個(gè)測(cè)點(diǎn)24 h數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，北平臺(tái)處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程曲線如圖4所示，主梁全天線形曲線如圖5所示，南伸縮縫西側(cè)支座全天線形曲線如圖6所示；

（3）同一類型傳感器不同測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性分析，如液位撓度測(cè)點(diǎn)上下游測(cè)點(diǎn)關(guān)系曲線，相鄰液位測(cè)點(diǎn)關(guān)系曲線等；

圖4 北平臺(tái)處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程曲線

圖5 主梁全天線形曲線

圖6 南伸縮縫西側(cè)支座全天線形曲線

（4）不同類型傳感器之間的相關(guān)性分析，如磁致伸縮傳感器與數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比分析等[9]。

4 結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)作為大橋運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果輸出層，其核心任務(wù)是對(duì)橋梁整體安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵承重構(gòu)件健康狀態(tài)的分析與研判。

4.1 評(píng)估內(nèi)容

評(píng)估內(nèi)容按性質(zhì)分為以下三類。

（1）安全性評(píng)估

主要針對(duì)大橋各重要構(gòu)件，如主梁、拱肋、吊桿等的承載能力、應(yīng)力、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)性損傷等進(jìn)行評(píng)估。

（2）耐久性評(píng)估

主要針對(duì)橋梁各重要構(gòu)件的耐久性損傷進(jìn)行評(píng)估，如上部鋼構(gòu)件的銹蝕、應(yīng)力疲勞損傷、下部混凝土構(gòu)件裂縫寬度、混凝土碳化深度及保護(hù)層損傷、氯離子含量等。

（3）適用性評(píng)估

主要針對(duì)橋梁的功能性損傷（如主梁線形等）進(jìn)行評(píng)估。因此適用性評(píng)估也被稱為功能性評(píng)估。

4.2 評(píng)估流程

結(jié)合大跨度曲線梁鋼拱橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，該安全評(píng)估子系統(tǒng)采用綜合評(píng)估法對(duì)橋梁安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。綜合評(píng)估分為四個(gè)步驟，依次為層次劃分、專家調(diào)查與權(quán)重分析、評(píng)估指標(biāo)的采集和處理、多層次評(píng)判[10]。大橋綜合評(píng)估基本流程如圖7所示。

圖7 大橋綜合評(píng)估基本流程

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文根據(jù)大橋工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)了運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)組成及模塊功能進(jìn)行了闡述說(shuō)明。其主要技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輕量化應(yīng)用；

（2）解決了傳感器、解調(diào)儀、服務(wù)器和工作站之間的互連、互操作性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的同步采集、存儲(chǔ)及傳輸；

（3）通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換，形成健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的集中處理、存儲(chǔ)和共享，為后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持；

（4）通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化和系統(tǒng)傳感器運(yùn)行狀況做出判斷，為管理和養(yǎng)護(hù)工作提供技術(shù)指導(dǎo)。