步樂樂，王 曼

（寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代橋梁跨徑越來越大，結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜、越來越輕柔，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性日益引起工程師的關(guān)注[1]。及時、準確地掌握大型橋梁的工作性能，開展實施橋梁運營期健康監(jiān)測意義重大。本文以某大跨度曲線梁鋼拱橋（下文簡稱大橋）工程為例，通過運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度的診斷，及對橋梁服役情況進行智能評估，確保大橋在特殊天氣、交通條件下，或遭受撞擊時發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁養(yǎng)護管理的科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體功能概述

1.1 總體概述

大橋主跨跨度300 m，由曲線鋼主梁、兩條傾斜鋼箱拱肋、傾斜吊桿、肋間平臺及系梁等構(gòu)件組成。橋型總體布置如圖1所示。

圖1 橋型總體布置

根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點，本文設(shè)計了功能齊備、性能完善、經(jīng)濟合理的運營期監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全評估子系統(tǒng)、檢查及維護子系統(tǒng)、檔案管理與用戶支持子系統(tǒng)。大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖2所示。

大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段[2]獲取橋梁結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境信息及自身的狀態(tài)參數(shù)，進而對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行診斷與評估[3-4]，確保管養(yǎng)單位及時、準確地掌握橋梁健康狀況。

圖2 大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)

1.2 設(shè)計原則

大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)遵循以下設(shè)計原則：

（1）采用相對成熟的技術(shù)進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定；

（2）采用模塊化設(shè)計，確保各系統(tǒng)的替換性、經(jīng)濟性，并滿足后續(xù)系統(tǒng)迭代升級、功能擴展等需求；

（3）設(shè)置適度冗余的傳感器及其他感知設(shè)備，確保數(shù)據(jù)采集的準確性；

（4）將實時在線監(jiān)測和定期監(jiān)測相結(jié)合，減少數(shù)據(jù)采集量，降低后臺數(shù)據(jù)處理難度；

（5）數(shù)據(jù)處理模塊應(yīng)滿足功能強大、界面友好、設(shè)置合理等要求，以利于提高后期數(shù)據(jù)分析效率。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)能否對橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)做出準確客觀的評估，取決于數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng)能否及時獲取真實反映大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征信息。該工程數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站（感知層）、數(shù)據(jù)存儲站（存儲層）和信號傳輸網(wǎng)絡(luò)（傳輸層）組成。其中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站由多個性能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集模塊組成，以確保系統(tǒng)的可靠性、準確性和耐久性。

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)通過風(fēng)速儀，傾角儀和應(yīng)力、應(yīng)變傳感器等高精度傳感設(shè)備采集橋梁的狀態(tài)數(shù)據(jù)，便于提前發(fā)現(xiàn)并鎖定損傷位置。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要分為三大類如下：

（1）環(huán)境狀況監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、結(jié)構(gòu)溫度場等，以便及時、準確地掌握大橋所處環(huán)境的狀況。

（2）橋梁幾何狀態(tài)監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括拱肋變位及扭轉(zhuǎn)、主梁撓度、支座、伸縮縫位移等。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括拱肋及箱梁應(yīng)力、吊桿及系桿索力等，以便掌握大橋的實際受力狀態(tài)和工作狀況。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用專用通信光纜[5]，借助點對點獨立傳輸體系進行數(shù)據(jù)傳輸，以確保信號傳輸?shù)目煽啃訹6]。數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)處理

大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)南伸縮縫西側(cè)支座全天線性曲線推送的數(shù)據(jù)量極大，若對所有數(shù)據(jù)進行分析，將占用大量資源，并且海量數(shù)據(jù)中無效成分較多，將嚴重影響數(shù)據(jù)分析算法的執(zhí)行效率。因此，在對數(shù)據(jù)進行信息提取前，應(yīng)提前進行數(shù)據(jù)清洗、集成、轉(zhuǎn)換、離散等工作，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率和準確性。

數(shù)據(jù)處理操作采用基于MATLAB和LabVIEW等平臺開發(fā)的專用軟件，運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計和信號分析方法進行時域、頻域的參數(shù)識別處理[7-8]。

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用如下方法進行數(shù)據(jù)分析：

（1）以大橋整體和局部有限元計算結(jié)果為基礎(chǔ)，將MATLAB作為數(shù)據(jù)分析軟件，對比分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

（2）分析單個測點24 h數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，北平臺處測點風(fēng)速時程曲線如圖4所示，主梁全天線形曲線如圖5所示，南伸縮縫西側(cè)支座全天線形曲線如圖6所示；

（3）同一類型傳感器不同測點之間的相關(guān)性分析，如液位撓度測點上下游測點關(guān)系曲線，相鄰液位測點關(guān)系曲線等；

圖4 北平臺處測點風(fēng)速時程曲線

圖5 主梁全天線形曲線

圖6 南伸縮縫西側(cè)支座全天線形曲線

（4）不同類型傳感器之間的相關(guān)性分析，如磁致伸縮傳感器與數(shù)字溫度傳感器數(shù)據(jù)對比分析等[9]。

4 結(jié)構(gòu)安全評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全評估子系統(tǒng)作為大橋運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果輸出層，其核心任務(wù)是對橋梁整體安全等級進行評定，同時實現(xiàn)對關(guān)鍵承重構(gòu)件健康狀態(tài)的分析與研判。

4.1 評估內(nèi)容

評估內(nèi)容按性質(zhì)分為以下三類。

（1）安全性評估

主要針對大橋各重要構(gòu)件，如主梁、拱肋、吊桿等的承載能力、應(yīng)力、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)性損傷等進行評估。

（2）耐久性評估

主要針對橋梁各重要構(gòu)件的耐久性損傷進行評估，如上部鋼構(gòu)件的銹蝕、應(yīng)力疲勞損傷、下部混凝土構(gòu)件裂縫寬度、混凝土碳化深度及保護層損傷、氯離子含量等。

（3）適用性評估

主要針對橋梁的功能性損傷（如主梁線形等）進行評估。因此適用性評估也被稱為功能性評估。

4.2 評估流程

結(jié)合大跨度曲線梁鋼拱橋結(jié)構(gòu)受力特點，該安全評估子系統(tǒng)采用綜合評估法對橋梁安全等級進行評定。綜合評估分為四個步驟，依次為層次劃分、專家調(diào)查與權(quán)重分析、評估指標的采集和處理、多層次評判[10]。大橋綜合評估基本流程如圖7所示。

圖7 大橋綜合評估基本流程

5 結(jié) 語

綜上所述，本文根據(jù)大橋工程特點設(shè)計了運營期健康監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)組成及模塊功能進行了闡述說明。其主要技術(shù)及創(chuàng)新點總結(jié)如下：

（1）開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的在線監(jiān)測軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了輕量化應(yīng)用；

（2）解決了傳感器、解調(diào)儀、服務(wù)器和工作站之間的互連、互操作性問題，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的同步采集、存儲及傳輸；

（3）通過對原始數(shù)據(jù)進行分解、變換，形成健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的集中處理、存儲和共享，為后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持；

（4）通過長期數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化和系統(tǒng)傳感器運行狀況做出判斷，為管理和養(yǎng)護工作提供技術(shù)指導(dǎo)。