橋梁結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究Ⅰ
——監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警體系和模塊設(shè)計(jì)
項(xiàng)貽強(qiáng)[1] 李毅1 周暢1
（1 浙江大學(xué)土木工程系，杭州，310058 ）
【摘要】針對(duì)不同橋梁的特點(diǎn)，在參照國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)程規(guī)范的要求和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，研究提出了運(yùn)營(yíng)橋梁在線健康監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系，討論了傳感器布置的原則及一般的應(yīng)力、位移傳感器布置方案，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊框圖及頂層數(shù)據(jù)流程圖。本文所提出的橋梁在線健康監(jiān)測(cè)狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移傳感器布置及系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)，對(duì)營(yíng)運(yùn)中的橋梁監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)管理具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè),狀態(tài)評(píng)估,指標(biāo)體系,傳感器布置 流程圖
【關(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè),狀態(tài)評(píng)估,指標(biāo)體系,傳感器布置 流程圖
Healthy Monitoring and Altering System on-Line of Bridge Structures Ⅰ
——Design of Monitoring Assessment and Altering System and Modules
Xiang Yiqiang1 , Li Yi1 Zhou Chang1
(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, 310058, Zhejiang
Abstract: Aiming at features of different type of bridges, this paper presented indexes system of healthy monitoring system and condition assessment on-line for R.C. & P. C. bridges in service according to current technical code and specification for relative bridge in China and study results. Sensors layout principle and general sensors layout project of stresses and displacements in health monitoring system for concrete bridge is discussed. The corresponding system design modules and top flow charts of data analysis are given. The presented indexes system of health monitoring system and condition assessment system, general sensors layout project of stresses and displacements and design of system modules have important guidance meaning and practical value for health monitoring and maintenance management of R.C. & P. C. bridges in service.
Key words: Bridge structures ; health monitoring; condition assessment; index system; sensors layout; flow chart
1.前言
橋梁健康監(jiān)測(cè)的主要目的是通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)構(gòu)成的整體系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、使用性能及整體行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)橋梁的安全健康狀況和潛在危險(xiǎn)性及時(shí)做出評(píng)估，提供必要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為橋梁在特殊氣候、交通狀況或橋梁運(yùn)行中的嚴(yán)重異常狀況觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，同時(shí)為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)與維護(hù)管理提供科學(xué)的決策依據(jù)和指導(dǎo)。
目前的研究主要集中在對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)的評(píng)估理論上，而對(duì)不同橋梁狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系和模塊設(shè)計(jì)的討論較少,受研究水平的限制，我國(guó)目前還沒(méi)有一部針對(duì)各種不同橋梁形式的健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估的指南或規(guī)范[1-7]。因此，有必要針對(duì)不同類型橋梁的特點(diǎn)，研究提出運(yùn)營(yíng)橋梁在線健康監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系，給出傳感器布置的原則、一般的應(yīng)力、位移傳感器布置方案以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊。
2.監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警體系設(shè)計(jì)
依據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）、《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（2004）等技術(shù)規(guī)程規(guī)范的要求和相關(guān)研究成果，橋梁的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)可按橋梁的主要構(gòu)件劃分，對(duì)不同的混凝土橋梁則可分為下部結(jié)構(gòu)、主梁、吊桿或拉索、附屬設(shè)施以及動(dòng)力特性等。每個(gè)主要構(gòu)件又可劃分為若干項(xiàng)子構(gòu)件，每個(gè)子構(gòu)件擁有各自的多項(xiàng)屬性，具體如圖1~圖4所示。
橋梁是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，眾多的因素若不加任何處理就來(lái)分析它們與橋梁使用功能間的關(guān)系，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的專家來(lái)說(shuō)也有困難。這里采用了層次分析(AHP)和變權(quán)綜合法的方法來(lái)評(píng)估橋梁狀態(tài)，
它的基本思路如圖5所示。具體可按以下步驟進(jìn)行：
1) 
層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重；
層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重；2) 對(duì)底層指標(biāo)評(píng)分；
3) 變權(quán)綜合法確定中間層各指標(biāo)評(píng)分；
4) 變權(quán)綜合法確定最高層評(píng)分。
對(duì)于所有底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，按檢測(cè)數(shù)據(jù)類型可劃分 Fig. 5 AHP with Comprehensive Weight
為三種：①僅有對(duì)橋梁構(gòu)件的狀態(tài)描述或簡(jiǎn)單的等級(jí)劃分，而沒(méi)有數(shù)值結(jié)果（如混凝土碳化深度、混凝土保護(hù)層厚度、橋梁部件缺省等）；②檢測(cè)結(jié)果為一個(gè)數(shù)值（如混凝土強(qiáng)度、自振頻率等）；③檢測(cè)結(jié)果為一數(shù)據(jù)序列（如主梁應(yīng)力、主梁撓度、吊桿索力等）。對(duì)于第一類指標(biāo)，可以給出指標(biāo)評(píng)語(yǔ)，按照評(píng)語(yǔ)分成5級(jí)打分；第二類指標(biāo)可以采用正指標(biāo)、負(fù)指標(biāo)和適度指標(biāo)三種模型進(jìn)行歸一轉(zhuǎn)換；第三類指標(biāo)用線性或非線性無(wú)量綱化處理，指標(biāo)評(píng)估值=均勻變化得分×非均勻性變化系數(shù)，灰色關(guān)聯(lián)度r(X0, Xi)可作為評(píng)估指標(biāo)評(píng)語(yǔ)確定方法中的非均勻性變化系數(shù)。
1.傳感器布置
3.1 傳感器布置原則
（1）根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，對(duì)其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行分析和優(yōu)化研究確定，測(cè)量的參數(shù)應(yīng)能與模型分析的結(jié)果建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，以求監(jiān)測(cè)的有效性及經(jīng)濟(jì)性，做到有的放矢。
（2）對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行重要性、危險(xiǎn)性和易損性評(píng)級(jí)，將該評(píng)級(jí)結(jié)果作為傳感器布置的參考指標(biāo)；
（3）傳感器的選型、布置等應(yīng)盡可能體現(xiàn)優(yōu)化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；
（4）對(duì)特殊、重要部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以分析、計(jì)算、評(píng)估重要構(gòu)件的工作狀態(tài)，并預(yù)測(cè)其它構(gòu)件的內(nèi)力分布和變化；
（5）傳感器的選擇要注意長(zhǎng)期觀測(cè)的需要，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性；
（6）傳感器數(shù)量和設(shè)備能力等應(yīng)具有適度冗余，以確保系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(tǒng)未來(lái)改進(jìn)、擴(kuò)系統(tǒng)升級(jí)采用模塊化設(shè)計(jì)；
（7）系統(tǒng)應(yīng)具有開(kāi)放性，以確保系統(tǒng)良好的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及監(jiān)控功能。
主要監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)有應(yīng)力、撓度、動(dòng)力響應(yīng)、溫度等參數(shù)，其他的風(fēng)、交通量、荷載等參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的環(huán)境情況和系統(tǒng)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
對(duì)傳感器技術(shù)要求為：①光纖應(yīng)力傳感器：測(cè)量±1000µε，分辨率1µε，測(cè)量精度±3µε。②光纖溫度傳感器：分辨率高于0.1℃，測(cè)量精度為±0.5℃。③加速度傳感器：頻率響應(yīng)范圍在0.2～500Hz，分辨率<0.001g，測(cè)量范圍>100ms-2，靈敏度高于50mV/ms-2。④連通管位移傳感器：位移分辨率為±0.2mm；測(cè)量精度0.5%FS～1%FS；量程±5cm。
3.2 應(yīng)變傳感器布置
為了解在交通荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載及地震荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)及混凝土構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)提供依據(jù)，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵控制截面的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的位置不同形式橋梁的應(yīng)力傳感器布設(shè)位置如表1所示。
3.2 位移傳感器布置
通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大橋的空間位移，確定大橋的變形狀況、幾何線形等，為研究索塔位移與環(huán)境變化的關(guān)系，評(píng)價(jià)大橋結(jié)構(gòu)健康與安全狀況提供資料。對(duì)關(guān)鍵控制截面的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同形式橋梁的位移監(jiān)測(cè)布設(shè)位置如表2所示。
關(guān)于，動(dòng)力測(cè)試位置，應(yīng)重點(diǎn)放在橋梁一階模態(tài)和二階模態(tài)響應(yīng)的最大幅值點(diǎn)布設(shè)加速度傳感器，能夠獲得結(jié)構(gòu)的最大的動(dòng)力響應(yīng)。有條件時(shí)應(yīng)考慮多幾階的模態(tài)響應(yīng)。
4．系統(tǒng)的頂層模塊設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)流程
系統(tǒng)的頂層模塊設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6，主要包括在線監(jiān)測(cè)及信息處理平臺(tái)、信息管理系統(tǒng)模塊、維護(hù)管理決策模塊、突發(fā)事件監(jiān)測(cè)處置模塊、系統(tǒng)安全管理模塊等6個(gè)模塊，具體見(jiàn)圖6-圖10。
5．結(jié)語(yǔ)
橋梁的在線監(jiān)測(cè)評(píng)估和預(yù)警涉及橋梁結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等多方面的學(xué)科。近年來(lái)隨著在用橋梁劣化損傷現(xiàn)象日益嚴(yán)重，人民對(duì)公共產(chǎn)品的期望，橋梁的管理和評(píng)估及維修優(yōu)化決策已經(jīng)越來(lái)越受到重視，科學(xué)合理地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、評(píng)估己成為當(dāng)前國(guó)際、國(guó)內(nèi)工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證與研究、防災(zāi)減災(zāi)三方面的意義。本文針對(duì)不同橋梁的特點(diǎn)，在參照國(guó)家有關(guān)技術(shù)規(guī)程規(guī)范的要求和浙江大學(xué)等近年來(lái)在橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理研究取得的相關(guān)成果基礎(chǔ)上，研究提出了運(yùn)營(yíng)橋梁在線健康監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)體系，討論了傳感器布置的原則及一般的應(yīng)力、位移傳感器布置方案，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊框圖及頂層數(shù)據(jù)流程圖，本文所提出的方法及成果已成功運(yùn)用于杭州市文暉大橋混凝土斜拉橋及杭州市區(qū)交通干道橋梁隧道在線安全監(jiān)控管理信息系統(tǒng)(二期)橋梁的健康監(jiān)測(cè)評(píng)估管理系統(tǒng)中，取得了較好的效果，對(duì)營(yíng)運(yùn)中的橋梁監(jiān)測(cè)診斷與養(yǎng)護(hù)管理具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。
[1] 項(xiàng)貽強(qiáng): 1959年生，浙江杭州人，浙江大學(xué) 教授、博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄旱姆治隼碚摗⒔】当O(jiān)測(cè)與控制、損傷識(shí)別、評(píng)估管理系統(tǒng)。e-mail: Xiangyiq@zju.edu.cn
