趙寧寧 吳偉

摘 要：為解決軌道交通大型提籃拱橋在運(yùn)營(yíng)期各類荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的安全性問題，采用自動(dòng)化傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及Web等多種技術(shù)的集成、整合及應(yīng)用，提出了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)處理分析、橋梁預(yù)警評(píng)估等系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能要求。最終，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)并建立了軌道交通提籃拱橋健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掌控橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)安全狀態(tài)、橋梁承載力等運(yùn)行狀態(tài)，可為橋梁的運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐，輔助管理者采取恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)決策。

關(guān)鍵詞：提籃拱橋;健康監(jiān)測(cè);安全評(píng)估;Web;自動(dòng)化傳感;數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

提籃拱橋作為全國(guó)首座軌道交通工程跨度最大的拱橋，在特有的軌道交通列車荷載作用下，其振動(dòng)特性將更加明顯，因而提籃拱橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需考慮其特有的軌道交通荷載以及身處的地理環(huán)境。為了保障橋梁的適用性、耐久性、完整性和安全性，需實(shí)時(shí)掌握橋梁的運(yùn)營(yíng)及健康狀況，項(xiàng)目主要建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將常規(guī)的橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與特有的軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)橋梁的綜合安全評(píng)估，保障提籃拱橋的運(yùn)營(yíng)安全。

提籃拱橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)特有軌道交通環(huán)境下運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)安全狀況，提出了一套健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估大橋的承載能力狀況、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和耐久能力等，預(yù)防意外發(fā)生。

1 工程概況

提籃拱橋樣本為寧波市軌道交通1號(hào)線控制性節(jié)點(diǎn)橋梁。提籃拱橋位于高橋西站-高橋站區(qū)間，其主跨為220 m，跨徑組合為（25 +220 +25）m，全長(zhǎng)270 m。拱肋平面內(nèi)矢跨比為1/5，吊桿間距為8 m，拱軸線矢高為44 m。

與尋常橋梁不同的是該橋是軌道交通通行橋梁，具有過車時(shí)間段固定、列車經(jīng)過時(shí)間快等特點(diǎn)，因而遵循周期性疲勞規(guī)律等。基于軌道交通橋梁的特殊情況，采用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有測(cè)試精度高、重復(fù)性和耐久性好、耐腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)反映列車荷載引起的變化，經(jīng)分析后得到實(shí)測(cè)荷載效應(yīng)規(guī)律，并結(jié)合有限元分析評(píng)價(jià)列車荷載對(duì)本橋安全、耐久性的影響。提籃拱橋橋型布置如圖1所示。

2 系統(tǒng)總體功能概述

本提籃拱橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、Web技術(shù)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、在線預(yù)警、智能評(píng)估等功能進(jìn)行融合，以實(shí)現(xiàn)橋梁安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及有效管控。

結(jié)合系統(tǒng)預(yù)警數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，建立一個(gè)基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估預(yù)警系統(tǒng)的主體框架，實(shí)現(xiàn)橋梁工程技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)的結(jié)合與橋梁養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為提籃拱橋的維護(hù)管理決策者提供依據(jù)和指導(dǎo)。

結(jié)合本軌道交通提籃拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立的總體思路，本系統(tǒng)分為四大模塊，具體功能劃分如圖2所示。

基于上述思路，在充分調(diào)研橋梁檢測(cè)評(píng)估報(bào)告基礎(chǔ)上，結(jié)合橋梁的維修加固情況，本系統(tǒng)基于底層多指標(biāo)維度進(jìn)行信息綜合，智能預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)整體及局部構(gòu)件的安全狀態(tài)，并輔助本提籃拱橋進(jìn)行維修維護(hù)等決策的制定。

3 本橋監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)本提籃拱橋特點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞橋梁環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置內(nèi)力響應(yīng)、變形位移等方面，針對(duì)應(yīng)力、位移、撓度、加速度等參量進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)。結(jié)合本提籃拱橋環(huán)境特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)受力特性、構(gòu)造特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)：

（1）橋墩傾斜監(jiān)測(cè)（傾斜儀）;

（2）主梁端位移監(jiān)測(cè)（位移計(jì)）;

（3）關(guān)鍵控制截面內(nèi)力及溫度監(jiān)測(cè)（光纖光柵應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度計(jì)）;

（4）索力結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)（索力傳感器）;

（5）關(guān)鍵控制截面變形監(jiān)測(cè)（GPS）;

（6）主梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)（加速度傳感器）;

（7）橋墩沉降監(jiān)測(cè)（GPS）。

提籃拱橋監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)共95個(gè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況見表1所列。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析模塊是實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行有效辨識(shí)、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用的系統(tǒng)化過程。處理分析模塊需要能夠自動(dòng)甄別數(shù)據(jù)的有效性，過濾異常干擾，確保數(shù)據(jù)可靠。

數(shù)據(jù)處理分析主要功能模塊如圖3所示。

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析模塊可為進(jìn)一步進(jìn)行橋梁危險(xiǎn)狀態(tài)識(shí)別與預(yù)警、橋梁健康與安全評(píng)估提供高效的數(shù)據(jù)支持與模型支持。

5 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評(píng)估

5.1 模塊功能概述

對(duì)本提籃拱橋監(jiān)測(cè)得到的各類信號(hào)值進(jìn)行自動(dòng)化處理及挖掘分析，對(duì)環(huán)境荷載作用下的本提籃拱橋的安全狀態(tài)進(jìn)行異常判別、橋梁服役性能辨識(shí)、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估。結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)需要具備以下功能：

（1）結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料、既往監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)通過模型修正建立本提籃拱橋運(yùn)營(yíng)期基準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)完善基準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，用于橋梁工作狀態(tài)分析和安全狀態(tài)評(píng)定;

（2）在監(jiān)控中心內(nèi)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);

（3）提供豐富的3D圖形化顯示界面，人機(jī)交互界面友好，顯示效果簡(jiǎn)明、直觀;

（4）對(duì)監(jiān)測(cè)獲取的各類信號(hào)及指標(biāo)進(jìn)行時(shí)域內(nèi)挖掘分析與趨勢(shì)預(yù)測(cè);

（5）具備針對(duì)本提籃拱橋的安全預(yù)警功能，給出結(jié)構(gòu)理論計(jì)算值或規(guī)范值，對(duì)運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)性能退化和結(jié)構(gòu)安全性異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)提籃拱橋安全性在線分析及實(shí)時(shí)預(yù)警;

（6）結(jié)合本提籃拱橋基礎(chǔ)信息、施工監(jiān)控、荷載試驗(yàn)等各類全生命期數(shù)據(jù)對(duì)本橋的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能評(píng)估;

（7）充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、診斷、預(yù)測(cè)分析等，為橋梁運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)支持;

（8）在橋梁運(yùn)營(yíng)階段，每年提交一次監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估報(bào)告，尤其在臺(tái)風(fēng)、地震等突發(fā)事件發(fā)生后，及時(shí)提交極端事件專題分析報(bào)告;

（9）評(píng)估結(jié)果面向多級(jí)結(jié)構(gòu)管理人員，做到簡(jiǎn)明、有效;

（10）可根據(jù)評(píng)估結(jié)果自動(dòng)提供維護(hù)決策建議;

（11）具備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和報(bào)警功能，可在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，具有設(shè)備故障報(bào)警功能;

（12）具備遠(yuǎn)程信息發(fā)布與共享功能，擁有遠(yuǎn)程授權(quán)操控能力。

5.2 模塊劃分

根據(jù)該子系統(tǒng)的功能要求，將該子系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，即數(shù)據(jù)處理分析模塊、橋梁安全預(yù)警模塊和橋梁安全評(píng)估模塊?？傮w模塊劃分如圖4所示。

5.3 用戶界面

根據(jù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求和方案構(gòu)建用戶界面網(wǎng)站，如圖5所示。

通過用戶界面可以查詢傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)單獨(dú)的監(jiān)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)提籃拱橋特有的軌道交通列車荷載作用結(jié)構(gòu)的安全狀況提出了一套健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)，并且形成了一個(gè)健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)站，通過該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以查詢橋梁健康狀態(tài)以及對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于此類情況監(jiān)控本提籃拱橋運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)橋梁存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患便主動(dòng)預(yù)警，保障運(yùn)營(yíng)安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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