蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立是近年來橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。它在現(xiàn)代傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號和分析、數(shù)據(jù)處理方法、計算機視覺、知識挖掘、預(yù)測技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析理論和決策理論等領(lǐng)域的知識的基礎(chǔ)上，廣泛擴大了橋梁檢測領(lǐng)域的內(nèi)涵，提高了預(yù)測評估的可靠性。蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州(常熟)市之間,西距江陰長江大橋82km,東距長江入?？?08km,北接鹽通和通啟高速公路,南接蘇嘉杭和沿江高速公路,是交通部規(guī)劃的黑龍江嘉蔭至福建南平國家重點干線公路和江蘇省規(guī)劃的“四縱四橫四聯(lián)”公路主骨架“縱一”線的重要組成部分。蘇通大橋全部工程由跨江大橋工程、北岸接線工程和南岸接線工程三部分組成?？缃髽蚬こ炭傞L8146m,其中主橋采用主跨1088m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,是我國建橋史上工程規(guī)模最大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高、技術(shù)最復(fù)雜、科技含量最高的現(xiàn)代化特大型橋梁工程,也是世界斜拉橋建設(shè)史上的標(biāo)志性工程。由于蘇通大橋規(guī)模宏大,可以預(yù)見其檢查、養(yǎng)護和維修費用將是昂貴的。隨著橋齡的增加,大橋健康狀態(tài)將逐漸退化,相應(yīng)的檢查、維修和加固工作會日漸加重。為保證蘇通大橋在整個設(shè)計使用壽命內(nèi)的安全運營,同時盡量減少大橋的管理維護費用,必須建立一套功能全面、性能優(yōu)良、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)。且橋梁健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的建立對于提升橋梁工程的設(shè)計、施工和管理水平亦具有十分重要的意義?！疤K通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)設(shè)計研究與設(shè)計”項目由江蘇省交通科學(xué)研究院和香港理工大學(xué)聯(lián)合承擔(dān),并與東南大學(xué)合作研制完成了蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。本文詳細介紹該健康監(jiān)測系統(tǒng)的四個主要子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康評估核心系統(tǒng)的五個子模塊,同時指出大跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)組成根據(jù)蘇通大橋的結(jié)構(gòu)特點和地理環(huán)境,系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和造價要求等,擬定蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、預(yù)期功能、總體框架和運作流程;根據(jù)傳感器系統(tǒng)方案,結(jié)合蘇通大橋的地理環(huán)境,合理經(jīng)濟地確定數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)方案,如數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選型、布置和保護以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的選型和布置等。蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的組成如圖1所示,包括下列四個子系統(tǒng):(1)傳感器系統(tǒng)(SS):由固定式傳感器系統(tǒng)和便攜式傳感器系統(tǒng)組成,用于監(jiān)測蘇通大橋的荷載(包括環(huán)境因素)及響應(yīng),為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)提供信號輸入。(2)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)(DATS):由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成,用于采集傳感器信號并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)包含便攜式采集系統(tǒng),由便攜式數(shù)據(jù)采集器、便攜式電纜或無線網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成。(3)數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)(DMCS):由數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成,用于控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理、顯示、歸檔和存儲等。(4)結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)(SHES):由結(jié)構(gòu)健康評價服務(wù)器、結(jié)構(gòu)健康評價工作站和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成,用于數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)健康狀況評價等。2系統(tǒng)功能2.1傳感器系統(tǒng)2.1.1文獻檢測系統(tǒng)的選擇任何一個橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),其傳感器數(shù)量都是有限的。如何合理布設(shè)傳感器,以期利用有限數(shù)量的傳感器獲得盡量多的有用信息,是一個值得研究的課題。監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測項目的選擇主要依據(jù)對蘇通大橋的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析,同時也兼顧橋梁所處的環(huán)境、項目經(jīng)費限制等因素。傳感器的數(shù)量和測點位置經(jīng)過仔細分析,在滿足結(jié)構(gòu)健康評估需要的前提下,做到盡量簡潔(表1)。蘇通大橋主橋傳感器總體布置圖見圖2。2.1.2結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測傳感器監(jiān)測對象可分為荷載監(jiān)測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測。其中荷載監(jiān)測又可分為環(huán)境荷載源(風(fēng)和溫度)、交通載荷、腐蝕作用等方面的監(jiān)測。結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測主要包括整體位移、索塔和橋墩傾斜度、支座位移、拉索索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等方面的監(jiān)測。表2列出了蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的監(jiān)測項目及與之相應(yīng)的傳感器類型。2.1.3測量信號質(zhì)量的影響傳感器系統(tǒng)是保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的功能性、穩(wěn)定性和耐久性的先決條件,結(jié)構(gòu)健康狀況評估結(jié)果的正確性、可靠性等首先取決于由傳感器系統(tǒng)的測量信號的質(zhì)量。蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)具有以下特點:(1)結(jié)構(gòu)特性及傳感器類型總數(shù)本傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測對象可分為三類:結(jié)構(gòu)響應(yīng);荷載源;結(jié)構(gòu)特性,總數(shù)達16種,傳感器類型總數(shù)達14種(詳見表1)。通過上述監(jiān)測,可建立荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的因果關(guān)系。(2)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)特征,主要可基于變形的、波反映被測物理量的自身特性,如本傳感器系統(tǒng)中風(fēng)速儀的布置方案可較好地反映橋址處的風(fēng)場特性,包括平均風(fēng)速、脈動風(fēng)功率譜和風(fēng)的水平向及豎向相關(guān)性等;提供被測物理量的全面信息,如全球定位系統(tǒng)(GPS)和傾斜儀的布置方案可很好地反映全橋的線型;位移傳感器的布置方案可全面了解主橋和輔橋伸縮縫、支座和阻尼器的活動情況;加速度傳感器的布置方案可較好地識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性等;對重要部位進行重點監(jiān)測,如布置在主跨跨中等控制截面的大量溫度計和應(yīng)變片可較好地反映出該處的溫度場與應(yīng)力應(yīng)變分布;(3)先進的傳感器系統(tǒng)在對目前世界上已安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行深度調(diào)研后,本傳感器系統(tǒng)采用了許多先進的傳感器,如全球定位系統(tǒng)(GPS)、車軸車速儀系統(tǒng)、光纖傳感器和腐蝕測量單元等。通過使用上述先進傳感器,可以更全面、更準(zhǔn)確、更深人地對橋梁進行監(jiān)測。2.2數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)2.2.1采集、理片的制備數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負責(zé)傳感器信號的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成。(1)scxi數(shù)據(jù)采集站的組成包括9個數(shù)據(jù)采集站和2個數(shù)據(jù)采集子站,每個數(shù)據(jù)采集站由PXI儀器平臺、SCXI信號條理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成,數(shù)據(jù)采集子站與數(shù)據(jù)采集主站的不同在于其本身不包括PXI儀器平臺,數(shù)據(jù)采集子站通過MXI-3串行連接至數(shù)據(jù)采集站,光纖連接距離可達200m。(2)數(shù)據(jù)傳輸單元數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)和整體光纖網(wǎng)絡(luò)組成,局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)將各傳感器連接到數(shù)據(jù)采集單元,整體光纖網(wǎng)絡(luò)將各數(shù)據(jù)采集單元連接成星形網(wǎng)絡(luò),并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)服務(wù)器。(3)軟件系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的采集、傳輸和預(yù)處理等。2.2.2數(shù)據(jù)采集站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)每個數(shù)據(jù)采集單元由一個數(shù)據(jù)采集站和若干個數(shù)據(jù)采集子站(可選)組成,數(shù)據(jù)采集子站通過MXI-3串行連接至數(shù)據(jù)采集站,光纖連接距離可達200m。從功能角度考慮,數(shù)據(jù)采集站可劃分以下三個部分:PXI儀器平臺、SCXI信號調(diào)理模塊、多功能數(shù)據(jù)采集模塊。從硬件結(jié)構(gòu)角度考慮,數(shù)據(jù)采集站可分為以下兩種結(jié)構(gòu):PXI和SCXI分離式機箱結(jié)構(gòu)、PXI/SCXI組合式機箱結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集單元的倉房見圖3。2.2.3數(shù)據(jù)傳輸單元數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)和整體光纖網(wǎng)絡(luò)組成,局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)將各傳感器連接到數(shù)據(jù)采集單元,整體光纖網(wǎng)絡(luò)將各數(shù)據(jù)采集單元連接成網(wǎng)絡(luò),并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集站與數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器及工作站之間采用星形網(wǎng)絡(luò)連接(圖4),傳輸介質(zhì)為光纖。2.3數(shù)據(jù)管理和管理系統(tǒng)2.3.1數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)(DMCS)由數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器(DMCS-1)和視頻圖像管理服務(wù)器(DMCS-2)組成,包括硬件部分和軟件部分。其中硬件DMCS-1和DMCS-2各為一個64位雙CPU服務(wù)器;軟件為基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與分析軟件。數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器DMCS-1功能:控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集;對采集的原始數(shù)據(jù)進行二次預(yù)處理;顯示各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖表和信息;管理一個用于存儲原始數(shù)據(jù)及其預(yù)處理結(jié)果的動態(tài)數(shù)據(jù)庫(DynamicDatabase)。該動態(tài)數(shù)據(jù)庫采取分布式存儲,保存原始數(shù)據(jù)至少30天,保存預(yù)處理結(jié)果至少1年;定期存檔、備份數(shù)據(jù);作為數(shù)據(jù)服務(wù)器,為授權(quán)用戶通過結(jié)構(gòu)健康評價服務(wù)器訪問動態(tài)數(shù)據(jù)庫提供服務(wù);訪問各數(shù)據(jù)采集站(DAU),查詢其運行日志,管理運行狀態(tài)。視頻圖像管理服務(wù)器DMCS-2功能:實現(xiàn)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)應(yīng)與交通工程系統(tǒng)安裝的視頻交通監(jiān)測設(shè)備進行數(shù)據(jù)共享。視頻圖像管理服務(wù)器負責(zé)存儲和管理來自交通工程系統(tǒng)的視頻圖像數(shù)據(jù);控制多屏顯示;2.3.2數(shù)據(jù)存儲機制系統(tǒng)對傳感器的信號進行采集后形成數(shù)據(jù)文件,分布存儲在各個數(shù)據(jù)采集單元上,數(shù)據(jù)滾動存儲時間大于15天。運行控制室數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器上的數(shù)據(jù)管理軟件,可以實時地獲取所有傳感器的歷史數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù),獲取所需的分析結(jié)果,并可將指定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲為用戶指定的格式,為數(shù)據(jù)交換、共享提供接口和平臺。為了最大限度地提高設(shè)備利用率、減小數(shù)據(jù)損失的風(fēng)險,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用分布式存儲結(jié)構(gòu)。每個數(shù)據(jù)采集單元(DAU)的本地硬盤均作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì),用于存儲本站采樣的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)并不實時傳送到數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器(DMCS-1),而是先保存在數(shù)據(jù)采集單元(DAU)內(nèi),但DMCS-1仍可實時訪問DAU內(nèi)的原始數(shù)據(jù)。DAU可保存15天或更長時間的原始數(shù)據(jù),DAU內(nèi)的原始數(shù)據(jù)將實時或定期發(fā)送到DMCS-1保存,DMCS-1可保存45天或更長時間的原始數(shù)據(jù),DMCS-1的原始數(shù)據(jù)每年備份一次后刪除,以接收新的原始數(shù)據(jù)。橋梁長期監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量龐大,長時間的連續(xù)監(jiān)測將形成海量數(shù)據(jù)。而且數(shù)據(jù)類型多,既有監(jiān)測的數(shù)字、圖像數(shù)據(jù),又有設(shè)計的圖表信息,還有檢查結(jié)果的表格及某些非數(shù)字的描述信息。當(dāng)前很多已實施的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力較差,對于實時地處理、分析和管理海量數(shù)據(jù)往往顯得無能為力。而本系統(tǒng)的特點在于特別注重對數(shù)據(jù)的有效管理。2.4結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)2.4.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計及軟件開發(fā)結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)是蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)的核心內(nèi)容。結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)健康評價系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康評估軟件系統(tǒng)組成,負責(zé)管理原始數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)進行深度分析,以及評價結(jié)構(gòu)健康狀況和生成結(jié)構(gòu)健康狀況報告。系統(tǒng)硬件主要指用于結(jié)構(gòu)分析和健康評價的高性能服務(wù)器和工作站;系統(tǒng)軟件主要指商用有限元分析軟件和結(jié)構(gòu)健康狀況評估軟件。結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評價的硬件系統(tǒng)由安裝在控制中心內(nèi)的一臺工作站組成,主要用于結(jié)構(gòu)健康評估及其圖形顯示。商用有限元分析軟件應(yīng)具備強大的前后處理功能和分析功能,其中分析功能應(yīng)該包括線性分析功能和非線性分析功能。2.4.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與日常養(yǎng)護管理的結(jié)合結(jié)構(gòu)健康評估是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心和目標(biāo),并為橋梁的日常管理養(yǎng)護提供依據(jù),然而,基于監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況評價方法可以說是當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)最為缺乏的內(nèi)容。當(dāng)前的監(jiān)測系統(tǒng)往往只具有對異常狀態(tài)的報警功能,而對正常運營狀態(tài)下的橋梁工作性能缺乏科學(xué)的評估。而且橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)往往和日常的養(yǎng)護管理相脫節(jié),使得健康監(jiān)測系統(tǒng)失去真正的意義。將實時健康監(jiān)測系統(tǒng)和日常的養(yǎng)護管理結(jié)合是當(dāng)前橋梁維護管理系統(tǒng)的趨勢所在,兩者在橋梁管理系統(tǒng)中的作用相輔相成、互為補充,共同為橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)服務(wù)(圖5)。一方面,日常的養(yǎng)護管理工作能夠及時發(fā)現(xiàn)一些實時健康監(jiān)測系統(tǒng)沒有或無法監(jiān)測的結(jié)構(gòu)缺陷、材料退化或裂縫,將這些結(jié)構(gòu)缺陷、材料退化或裂縫等納入監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中,更新結(jié)構(gòu)的有限元模型(如剛度、材料特性、構(gòu)件尺寸、缺陷或損傷等),有助于提高結(jié)構(gòu)健康評價的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。另一方面,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)綜合利用先進的結(jié)構(gòu)分析、損傷識別、信號處理、可靠度理論等技術(shù),診斷可能發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷或災(zāi)難的條件和環(huán)境因素,評估結(jié)構(gòu)性能退化的征兆和趨勢,指導(dǎo)日常的養(yǎng)護管理工作。蘇通大橋健康監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康狀況評價將實時健康監(jiān)測系統(tǒng)和日常的養(yǎng)護管理結(jié)合,提出了可行的結(jié)構(gòu)健康狀況評價策略。結(jié)構(gòu)健康狀況評估共有5個模塊組成(圖6):橋梁評級系統(tǒng)、適用性評估、損傷診斷和預(yù)測、耐久性評估和安全性評估,各個模塊間相輔相成。2.4.3評級結(jié)果的更新第一階段(1)建立評級系統(tǒng)的主要目的是為構(gòu)件的檢查和維護提供依據(jù)和指導(dǎo)。構(gòu)件的評級以分值評級方式進行,包括:構(gòu)件重要性分級、構(gòu)件危險性分級和構(gòu)件易損性分級。構(gòu)件評級分為三個階段進行:1)基于設(shè)計人員提供的有限元分析結(jié)果,對構(gòu)件進行重要性、危險性及易損性評級,評級的結(jié)果也將作為傳感器布置的參考;2)根據(jù)成橋竣工靜動載試驗和詳細檢查,確定橋梁的基準(zhǔn)狀態(tài),更新橋梁評級系統(tǒng);3)根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及常規(guī)檢查和維護信息,對第一階段的評級結(jié)果進行更新。就蘇通大橋的評級系統(tǒng)而言,首先將根據(jù)蘇通大橋的設(shè)計資料和成橋試驗結(jié)果進行構(gòu)件評級,然后根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行更新,評級結(jié)果可作為蘇通大橋日常管理、養(yǎng)護和維修的重要參考。(2)適用性評估主要指在正常運營條件下限制橋梁構(gòu)件和節(jié)點的應(yīng)力、變形和裂縫寬度等。其主要目的是確保橋梁在使用壽命內(nèi)的可使用性、控制橋梁及其部件的退化率和保證行車的安全性。適用性評估可劃分為環(huán)境及使用荷載適用性評估和結(jié)構(gòu)響應(yīng)適用性評估兩部分,其預(yù)警門檻值根據(jù)設(shè)計規(guī)范或經(jīng)驗確定。(3)結(jié)構(gòu)損傷診斷和預(yù)測模塊包括三部分:構(gòu)件統(tǒng)計損傷識別、構(gòu)件或節(jié)點的疲勞損傷診斷及預(yù)測、整體損傷識別。結(jié)構(gòu)損傷診斷和預(yù)測的結(jié)果用于更新橋梁評級系統(tǒng)和指導(dǎo)橋梁的日常養(yǎng)護工作以及用于評定結(jié)構(gòu)的安全可靠性。(4)耐久性評估主要評估根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕,評估結(jié)果用于更新蘇通大橋評級系統(tǒng)、及時地安排必要的日常維護和為構(gòu)件的安全性評估提供耐久性資料(如腐蝕率等)。(5)采用分層綜合結(jié)構(gòu)進行蘇通大橋的安全性評估,即將結(jié)構(gòu)整體分割成相對獨立的部分,然后按各自的指標(biāo)進行分塊評估,再針對適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)聚合合成整體的評價。蘇通大橋安全性評估模塊可分為構(gòu)件安全性評估和整體安全性評估。3