潘順興

（貴州黔程弘景工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550018）

0 引言

在實際的橋梁健康監(jiān)測工作中，首先要明確橋梁結(jié)構(gòu)的重要區(qū)域，并在該區(qū)域的中心位置設(shè)置傳感器，傳感器在正常工作狀態(tài)下，能實現(xiàn)對橋梁關(guān)鍵位置的自動化監(jiān)測，工作人員可實時獲取橋梁結(jié)構(gòu)所承載的壓力值及其他相關(guān)信息。同時，結(jié)合環(huán)境因子、橋梁結(jié)構(gòu)靜動力及荷載等因素，即可對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及運行狀態(tài)進(jìn)行有效評價。如果橋梁結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)，傳感器能給予及時的警示，工作人員結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)展開分析，可有效判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實際情況，進(jìn)而為橋梁項目的后續(xù)維護(hù)、檢修及管理提供指導(dǎo)依據(jù)[1]。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價，主要從撓度及應(yīng)力檢測等方面進(jìn)行，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為單一且準(zhǔn)確性不夠，無法達(dá)到充分掌握橋梁結(jié)構(gòu)情況的目的。以某特大橋工程為例，對其工程情況及施工情況展開分析，并結(jié)合目前的監(jiān)測情況，探討開展實時監(jiān)測的必要性，并探討智能監(jiān)測系統(tǒng)集成方案的可行性及有效性。

1 工程概況及技術(shù)狀況分析

1.1 工程概況

某特大橋，跨越該區(qū)域著名河流，跨徑值分別為50m、115m、210m，橋面寬度達(dá)38m，設(shè)有6 個車道，公路等級為I 級；橋梁主墩設(shè)置在河流兩側(cè)，航道寬150m，高8m，大橋通航等級為Ⅳ級。

1.2 結(jié)構(gòu)技術(shù)概況

工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)情況大致如下：

1.2.1 主梁構(gòu)造

采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，混凝土等材料是基于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)合理選用的，高跨比和高寬比等也滿足技術(shù)操作要求，分別為1∶80 和1∶13.82。

1.2.2 塔構(gòu)造

橋梁主塔為豎向雙柱結(jié)構(gòu)，矩形端截面形式、斜拉索等基于設(shè)計做了精細(xì)布置，各個部分的高度設(shè)計均達(dá)到了既定施工標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 斜拉索構(gòu)造

纜索符合既定的保護(hù)要求，縱橫向的間距也做了精細(xì)設(shè)計。錨孔和斜拉結(jié)構(gòu)處在既定的控制范圍內(nèi)，為后續(xù)的技術(shù)處理提供了有利條件。

2 針對性監(jiān)測內(nèi)容分析

基于安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能定位，并結(jié)合橋梁工程的具體情況和技術(shù)狀況，工程所涉及的安全監(jiān)測大致如下：

2.1 防船撞預(yù)警

該橋梁在水中并不設(shè)墩柱結(jié)構(gòu)，無須考慮防撞設(shè)計，通航標(biāo)準(zhǔn)為IV 級，橋下通航凈寬和凈高分別為150m、8m，與既定的通航標(biāo)準(zhǔn)一致。

2.2 主梁撓度及基礎(chǔ)不均勻沉降

從理論層面來看，主梁的撓度和基礎(chǔ)沉降能夠?qū)蛄旱倪\行情況直觀地呈現(xiàn)出來，出現(xiàn)較大變形的話必定會影響行車的安全性，且會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力不佳的情況。通過監(jiān)測變形能夠探知橋梁的損傷狀況，能夠為評估橋梁是否穩(wěn)定安全提供重要參考。

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

結(jié)構(gòu)體系會形成高應(yīng)力區(qū)域，該橋梁在構(gòu)造上存在應(yīng)力集中的情況，這一點應(yīng)重點關(guān)注；在長期交通荷載和環(huán)境動荷載的影響下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞的可能性相對較大，因此應(yīng)重點關(guān)注和做好針對性處理。

2.4 環(huán)境溫度

截面溫度梯度會直接影響大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)做好對環(huán)境溫度的調(diào)控。大型橋梁各個部分材料和結(jié)構(gòu)形式存在很大的差異，環(huán)境溫度和日照變化等會影響橋梁的溫度分布。

2.5 結(jié)構(gòu)動態(tài)特性

橋梁結(jié)構(gòu)的性能會隨著時間的推移發(fā)生變化，其動態(tài)特征參數(shù)也會相應(yīng)出現(xiàn)變化，這種變化可以影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過對結(jié)構(gòu)動態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行全面分析，可以制定橋梁健康監(jiān)測的參考標(biāo)準(zhǔn)，以充分了解橋梁的高度和邊界條件。

2.6 索力

索力的主要作用是傳遞橋梁主結(jié)構(gòu)的荷載，并在橋梁下部連接主塔結(jié)構(gòu)，以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以在橋梁健康監(jiān)測過程中需要重點關(guān)注索力的變化規(guī)律[2]。

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)集成方案分析

3.1 系統(tǒng)功能分析

橋梁健康智能監(jiān)測系統(tǒng)，主要是利用智能傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，上述子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要條件。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理的過程中起著極為重要的作用，在儲存橋梁施工信息和監(jiān)測信息方面有突出作用。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系與流程

3.2 集成方案分析

智能監(jiān)測系統(tǒng)中包含多個子系統(tǒng)，想要實現(xiàn)不同子系統(tǒng)物理邏輯的穩(wěn)定性，需要對集成系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。系統(tǒng)集成的具體作用如下：實現(xiàn)對不同子系統(tǒng)的控制和管理，在便捷化操作上有突出表現(xiàn)；開放式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在保障信息資源共享上有顯著表現(xiàn)，基于構(gòu)建的數(shù)據(jù)開放平臺，能為子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)性的保障。

4 系統(tǒng)集成方案的軟件實現(xiàn)

4.1 中心數(shù)據(jù)庫方案

之所以要構(gòu)建中心數(shù)據(jù)庫，是為了存儲橋梁結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的相關(guān)信息，所涉及的監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下要求：能夠有組織地進(jìn)行動態(tài)存儲，能夠為多用戶提供訪問服務(wù)；能夠推動不同狀態(tài)和不同部位的數(shù)據(jù)共享和交叉訪問，且能滿足應(yīng)用程序的獨立或聯(lián)合運行；能夠快速存儲動態(tài)數(shù)據(jù)，這也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)條件。中心數(shù)據(jù)庫承擔(dān)著不同功能模塊的數(shù)據(jù)傳輸和共享功能，因此應(yīng)使其保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)[3]。

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

健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠進(jìn)行全面的實時監(jiān)測，如果在數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，可根據(jù)實際需求進(jìn)行模塊調(diào)整，即在特定軟件的觸發(fā)下，按照調(diào)整要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)前，多平臺供數(shù)據(jù)采集的模式已經(jīng)形成，且隨著多種編程語言的豐富，有了更多的選擇[4]。該項目中的子系統(tǒng)軟件開發(fā)主要基于LabWindows。

4.2.2 安全評定子系統(tǒng)

智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠全面、動態(tài)地評估橋梁的穩(wěn)定性，保證相關(guān)監(jiān)測工作能夠有序開展。在相關(guān)分析過程中，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。應(yīng)用MATLAB開發(fā)損傷識別軟件等，可以更為精準(zhǔn)地監(jiān)測橋梁損傷結(jié)構(gòu)，且能將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲至中心數(shù)據(jù)庫，這對推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化非常重要。結(jié)構(gòu)的模型修正可通過全局?jǐn)?shù)據(jù)更新和局部數(shù)據(jù)更新進(jìn)行，基于精細(xì)的分析，可以得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力等相關(guān)結(jié)果。在整體和局部的修正條件下，可以提升實測的準(zhǔn)確性。另外，一些其他功能也能基于相關(guān)軟件實現(xiàn)[5]。

4.3 軟件集成技術(shù)

應(yīng)用軟件集成技術(shù)時，需要注意以下兩個方面：第一，需要明確系統(tǒng)間的接口，以及調(diào)用、觸發(fā)機制。第二，需要確保軟件與數(shù)據(jù)之間的有效對接，保證相關(guān)接口及通信功能的完善。結(jié)合實際情況來看，可通過設(shè)置閥值來控制子程序的運行。通常情況下，若采集器信號值與閥值存在較大偏差，可調(diào)用先前的數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷分析。如果識別到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，應(yīng)調(diào)用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行分析，以此推動對結(jié)構(gòu)模型的修正分析。不同子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的通信，可通過調(diào)用數(shù)據(jù)工具箱進(jìn)行。借助智能監(jiān)測系統(tǒng)中的模態(tài)和損傷識別程序，可從數(shù)據(jù)庫中讀取原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而實施對橋梁狀況的實時評價。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通訊流程如圖2 所示。

圖2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通訊流程示意圖

5 橋梁健康監(jiān)測體系建設(shè)措施

5.1 橋梁健康監(jiān)測體系設(shè)計思維

橋梁健康監(jiān)測體系的設(shè)計應(yīng)密切聯(lián)系實際情況，基于橋梁結(jié)構(gòu)特征、周圍環(huán)境及造價要求等各個方面進(jìn)行分析，以明確橋梁在經(jīng)營過程中的設(shè)計和總體目標(biāo)等相關(guān)要求，從而為相關(guān)處理提供基礎(chǔ)保障。此外，應(yīng)注意監(jiān)測對象和性能的相關(guān)要求。

第一，體系設(shè)計應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)受力情況相結(jié)合，考慮傳感器的型號和具體設(shè)計方式，以確保所選傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁的內(nèi)部情況[6]。同時，構(gòu)建橋梁整體運行的視頻監(jiān)控體系，實現(xiàn)精細(xì)的監(jiān)測和控制，以實時了解橋梁上部的交通情況和運行狀態(tài)。

第二，明確橋梁結(jié)構(gòu)安全評估的方式與預(yù)警體系，確保能夠識別和預(yù)警結(jié)構(gòu)破損、功能老化及突發(fā)事故等，同時需確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

第三，將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測方式充分結(jié)合，但需要在所構(gòu)建的管理系統(tǒng)運行條件下進(jìn)行，進(jìn)而為橋梁管理和維護(hù)提供基礎(chǔ)保障。

第四，明確信息數(shù)據(jù)處理需求、把控體系數(shù)據(jù)分析需求等，以掌握橋梁結(jié)構(gòu)功能的演化規(guī)律，從而為橋梁結(jié)構(gòu)的持久性和穩(wěn)固性提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

第五，明確監(jiān)測的環(huán)境和負(fù)荷條件，且應(yīng)保證設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等條件下的各項指標(biāo)正常，為系統(tǒng)后續(xù)的穩(wěn)定運行提供有利條件。

5.2 橋梁健康監(jiān)測相關(guān)內(nèi)容

橋梁項目的內(nèi)力和變形狀況比較復(fù)雜。受地震和風(fēng)力等負(fù)荷的影響，橋梁的結(jié)構(gòu)和安全性會出現(xiàn)一些不良情況，因此應(yīng)做好系統(tǒng)性的監(jiān)測工作。以下是所涉及的一些內(nèi)容。

第一，車輛負(fù)荷。借助監(jiān)測系統(tǒng)開展實時監(jiān)測，能使相關(guān)工作人員及時掌握、分析車輛負(fù)荷的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，這對保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定非常重要。第二，動態(tài)特征。動態(tài)特點征是評估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的重要指標(biāo)，基于相應(yīng)的識別技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可為相關(guān)工作人員分析橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。第三，地震監(jiān)測。與以往的監(jiān)測技術(shù)相比，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地記錄偶然性危害。并且，其中的災(zāi)后評估和振動響應(yīng)功能，可為橋梁健康狀況評估工作提供強有力的支持。第四，環(huán)境負(fù)荷，主要涉及氣溫負(fù)荷和風(fēng)力負(fù)荷。由于橋梁特別是那些大跨度的橋梁，結(jié)構(gòu)受風(fēng)力負(fù)荷的影響較大，因此應(yīng)重點關(guān)注對風(fēng)速矢量的分析。此外，應(yīng)密切關(guān)注大跨度橋梁結(jié)構(gòu)對氣溫負(fù)荷的反應(yīng)，基于精細(xì)的實時監(jiān)測，獲取橋梁溫度變化數(shù)據(jù)，可為橋梁日常運行情況和狀態(tài)評估工作提供一定的參考。第五，結(jié)構(gòu)響應(yīng)，主要涉及應(yīng)力和索力等。相關(guān)工作人員應(yīng)實時觀察結(jié)構(gòu)變化情況和變形性質(zhì)，通過剖析變形速度和規(guī)律，為預(yù)先預(yù)警等防控工作提供基礎(chǔ)保障[7]。需要注意的是，如果監(jiān)測橋墩和主梁等核心部位的受力情況，應(yīng)及時分析突發(fā)情況和局部易損部位，為健康監(jiān)測提供相應(yīng)支持。索力與吊桿等作為重要的承重構(gòu)件，其監(jiān)測在一定程度上體現(xiàn)著結(jié)構(gòu)的基本狀態(tài)，對其內(nèi)力變化情況進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測有助于及時探知結(jié)構(gòu)破損和狀態(tài)變化情況，這對促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要價值。

6 結(jié)語

主要對智能監(jiān)測系統(tǒng)的特點、工作機理及軟件實現(xiàn)流程等進(jìn)行分析，并探究了斜拉橋健康監(jiān)測所涉及的一些技術(shù)方法。由于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計所涉及的內(nèi)容較多，如結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)分析及傳感器監(jiān)測等，因此在數(shù)據(jù)管理上應(yīng)做好精細(xì)、全面的分析，這樣才能為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)保障。但當(dāng)前傳感器優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別及結(jié)構(gòu)損傷識別方面，還需加強研究，相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化，當(dāng)前存在的一些不足能得到有效彌補，橋梁的穩(wěn)定性和安全性也得到更好的保障。