橋梁結構在線健康監測預警系統研究Ⅰ
——監測評估預警體系和模塊設計
項貽強[1] 李毅1 周暢1
（1 浙江大學土木工程系，杭州，310058 ）
【摘要】針對不同橋梁的特點，在參照國家有關技術規程規范的要求和相關研究成果的基礎上，研究提出了運營橋梁在線健康監測及狀態評估的指標體系，討論了傳感器布置的原則及一般的應力、位移傳感器布置方案，給出了系統設計的模塊框圖及頂層數據流程圖。本文所提出的橋梁在線健康監測狀態評估的指標體系、結構應力、位移傳感器布置及系統的模塊設計，對營運中的橋梁監測與養護管理具有重要的指導意義和實用價值。
【關鍵詞】橋梁結構，健康監測,狀態評估,指標體系,傳感器布置 流程圖
【關鍵詞】橋梁結構，健康監測,狀態評估,指標體系,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
橋梁健康監測的主要目的是通過先進的監測儀器、設備、數據傳輸等技術構成的整體系統，對橋梁結構的工作狀態、使用性能及整體行為進行實時監測，并對橋梁的安全健康狀況和潛在危險性及時做出評估，提供必要的關鍵數據。為橋梁在特殊氣候、交通狀況或橋梁運行中的嚴重異常狀況觸發預警信號，同時為橋梁的安全運營與維護管理提供科學的決策依據和指導。
目前的研究主要集中在對健康監測系統的組成和系統的評估理論上，而對不同橋梁狀態評估的指標體系和模塊設計的討論較少,受研究水平的限制，我國目前還沒有一部針對各種不同橋梁形式的健康監測和狀態評估的指南或規范[1-7]。因此，有必要針對不同類型橋梁的特點，研究提出運營橋梁在線健康監測及狀態評估的指標體系，給出傳感器布置的原則、一般的應力、位移傳感器布置方案以及系統設計的模塊。
2.監測評估預警體系設計
依據《城市橋梁養護技術規范》（CJJ99-2003）、《公路橋梁養護規范》（2004）等技術規程規范的要求和相關研究成果，橋梁的狀態評估指標可按橋梁的主要構件劃分，對不同的混凝土橋梁則可分為下部結構、主梁、吊桿或拉索、附屬設施以及動力特性等。每個主要構件又可劃分為若干項子構件，每個子構件擁有各自的多項屬性，具體如圖1~圖4所示。
橋梁是一個復雜系統，眾多的因素若不加任何處理就來分析它們與橋梁使用功能間的關系，即使對于經驗豐富的專家來說也有困難。這里采用了層次分析(AHP)和變權綜合法的方法來評估橋梁狀態，
它的基本思路如圖5所示。具體可按以下步驟進行：
1) 
層次分析法確定各指標的權重；
層次分析法確定各指標的權重；2) 對底層指標評分；
3) 變權綜合法確定中間層各指標評分；
4) 變權綜合法確定最高層評分。
對于所有底層評價指標，按檢測數據類型可劃分 Fig. 5 AHP with Comprehensive Weight
為三種：①僅有對橋梁構件的狀態描述或簡單的等級劃分，而沒有數值結果（如混凝土碳化深度、混凝土保護層厚度、橋梁部件缺省等）；②檢測結果為一個數值（如混凝土強度、自振頻率等）；③檢測結果為一數據序列（如主梁應力、主梁撓度、吊桿索力等）。對于第一類指標，可以給出指標評語，按照評語分成5級打分；第二類指標可以采用正指標、負指標和適度指標三種模型進行歸一轉換；第三類指標用線性或非線性無量綱化處理，指標評估值=均勻變化得分×非均勻性變化系數，灰色關聯度r(X0, Xi)可作為評估指標評語確定方法中的非均勻性變化系數。
1.傳感器布置
3.1 傳感器布置原則
（2）對結構構件進行重要性、危險性和易損性評級，將該評級結果作為傳感器布置的參考指標；
（3）傳感器的選型、布置等應盡可能體現優化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的結構參數信息；
（4）對特殊、重要部位進行重點監測，以分析、計算、評估重要構件的工作狀態，并預測其它構件的內力分布和變化；
（5）傳感器的選擇要注意長期觀測的需要，確保系統的先進性、可靠性和穩定性；
（6）傳感器數量和設備能力等應具有適度冗余，以確保系統的可靠性，并滿足系統未來改進、擴系統升級采用模塊化設計；
（7）系統應具有開放性，以確保系統良好的遠程數據共享及監控功能。
主要監測的物理參數有應力、撓度、動力響應、溫度等參數，其他的風、交通量、荷載等參數應根據實際的環境情況和系統要求進行監測。
對傳感器技術要求為：①光纖應力傳感器：測量±1000µε，分辨率1µε，測量精度±3µε。②光纖溫度傳感器：分辨率高于0.1℃，測量精度為±0.5℃。③加速度傳感器：頻率響應范圍在0.2～500Hz，分辨率<0.001g，測量范圍>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；測量精度0.5%FS～1%FS；量程±5cm。
3.2 應變傳感器布置
為了解在交通荷載、風荷載、溫度荷載及地震荷載作用下橋梁結構及混凝土構件的應變、應力情況，為評價結構工作狀態提供依據，應對關鍵控制截面的應變進行監測，監測的位置不同形式橋梁的應力傳感器布設位置如表1所示。
3.2 位移傳感器布置
通過實時監測大橋的空間位移，確定大橋的變形狀況、幾何線形等，為研究索塔位移與環境變化的關系，評價大橋結構健康與安全狀況提供資料。對關鍵控制截面的位移進行監測，不同形式橋梁的位移監測布設位置如表2所示。
關于，動力測試位置，應重點放在橋梁一階模態和二階模態響應的最大幅值點布設加速度傳感器，能夠獲得結構的最大的動力響應。有條件時應考慮多幾階的模態響應。
4．系統的頂層模塊設計及數據流程
系統的頂層模塊設計見圖6，主要包括在線監測及信息處理平臺、信息管理系統模塊、維護管理決策模塊、突發事件監測處置模塊、系統安全管理模塊等6個模塊，具體見圖6-圖10。
5．結語
橋梁的在線監測評估和預警涉及橋梁結構、現代分析測試技術、計算機通訊網絡技術及數據庫管理等多方面的學科。近年來隨著在用橋梁劣化損傷現象日益嚴重，人民對公共產品的期望，橋梁的管理和評估及維修優化決策已經越來越受到重視，科學合理地進行橋梁結構的檢測、評估己成為當前國際、國內工程界關注的熱點。橋梁健康監測不只是傳統的橋梁檢測加結構評估新技術，而是被賦予了結構監控與評估、設計驗證與研究、防災減災三方面的意義。本文針對不同橋梁的特點，在參照國家有關技術規程規范的要求和浙江大學等近年來在橋梁健康監測與評估管理研究取得的相關成果基礎上，研究提出了運營橋梁在線健康監測及狀態評估的指標體系，討論了傳感器布置的原則及一般的應力、位移傳感器布置方案，給出了系統設計的模塊框圖及頂層數據流程圖，本文所提出的方法及成果已成功運用于杭州市文暉大橋混凝土斜拉橋及杭州市區交通干道橋梁隧道在線安全監控管理信息系統(二期)橋梁的健康監測評估管理系統中，取得了較好的效果，對營運中的橋梁監測診斷與養護管理具有重要的指導意義和實用價值。
[1] 項貽強: 1959年生，浙江杭州人，浙江大學 教授、博士生導師, 主要研究方向為大跨度橋梁的分析理論、健康監測與控制、損傷識別、評估管理系統。e-mail: Xiangyiq@zju.edu.cn
