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崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

更新時間：2021-04-10 17:51

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　【摘要】本文詳細介紹了崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，評述了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)確定的關(guān)鍵問題。運營期的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，為今后大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供借鑒。

　　【關(guān)鍵詞】大橋；結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測
　　橋梁經(jīng)過長期使用難免會發(fā)生各種各樣的結(jié)構(gòu)損傷，損傷的原因有地震、洪水等自然災(zāi)害，也有車輛超載、車禍、船舶撞擊等人為因素，以及腐蝕、氧化、風雨、振動等環(huán)境因素。隨著大跨橋梁設(shè)計的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化，為了把握橋梁結(jié)構(gòu)在運期間的承載能力、營運狀態(tài)、安全性和耐久性，需要建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是在橋梁內(nèi)部關(guān)鍵部位安裝各種類型的傳感器來對橋梁的整個使用壽命期間的結(jié)構(gòu)健康狀況和性能進行監(jiān)測的一種完整的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。其基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
　　1 工程概況
　　上海崇明至江蘇啟東長江公路大橋（崇啟大橋）全線采用雙向六車道高速公路標準建設(shè)，主橋為雙幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續(xù)梁橋，引橋為60×50m節(jié)段梁拼裝混凝土連續(xù)梁橋和20×30m現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁橋，其主橋聯(lián)長和單跨跨徑均為國內(nèi)同類橋型第一。為確保崇啟大橋施工及營運期的安全性和耐久性，崇啟大橋建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
　　2 系統(tǒng)構(gòu)成
　　崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要從三個方面考慮：結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、運營期養(yǎng)護、驗證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，以主橋為主、兼顧50m跨引橋，重點關(guān)注主橋風場特性、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、振動、位移、鋼結(jié)構(gòu)疲勞和引橋體外預(yù)應(yīng)力束索力等。其健康監(jiān)測系統(tǒng)包括以下四個部分：①傳感器子系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評估子系統(tǒng)。
　　這四個子系統(tǒng)構(gòu)成了崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，具體工作步驟如下：①傳感器子系統(tǒng)的各傳感器在線拾取大橋關(guān)鍵部位的信號；②將采集到的傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲在本地工業(yè)用計算機內(nèi)，同時通過計算機光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)；③由計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲；④結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計、閾值判別給出評估意見及報警信息，并為養(yǎng)護工作提出建議。
　　2.1 傳感器子系統(tǒng)
　　崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象分為2類9項：①荷載監(jiān)測：風、大氣溫濕度以及結(jié)構(gòu)溫度、路面溫度、交通荷載；②結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測：加速度（主梁振動、地震船撞）、主梁撓度、應(yīng)力應(yīng)變、支座及伸縮縫位移、體外預(yù)應(yīng)力索索力。
　　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是布點設(shè)計，崇啟大橋設(shè)風速測點2個，溫濕度測點8個，結(jié)構(gòu)溫度測點72個，伸縮縫位移測點8個，撓度測點9個，應(yīng)變測點72個，振動測點26個，地震及船撞測點21個，體外索索力測點16個。
　　（1）風荷載監(jiān)測
　　和普通的混凝土梁式橋不同，大跨徑鋼連續(xù)梁橋由于剛度較小、自重較輕，在風荷載作用下，可能產(chǎn)生風致振動。崇啟大橋在實際運營中，需要實時監(jiān)測風荷載的影響，并分析評估大橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
　?。?）空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測
　　空氣溫濕度及結(jié)構(gòu)溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，常引起大橋的變形和橋梁線形的改變，溫度變化對混凝土構(gòu)件及鋼構(gòu)件有很大的影響，是監(jiān)測的重要內(nèi)容。崇啟大橋主橋為鋼連續(xù)梁橋，更需要監(jiān)測鋼箱梁內(nèi)的溫濕度。
　?。?）結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測
　　橋梁結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積結(jié)果，而橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷主要是由于動荷載作用下的交變應(yīng)力作用的結(jié)果。崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測大橋主橋主梁及主墩各部位在風、交通、地震等作用下引起的振動加速度響應(yīng)，評估結(jié)構(gòu)的整體動力特性，為橋梁結(jié)構(gòu)整體健康狀況評估、驗證大橋設(shè)計理論及運營管理提供依據(jù)。
　?。?）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測
　　應(yīng)力監(jiān)測的目的是了解在交通荷載、風荷載、溫度荷載及地震、船撞等各種荷載作用下大橋各重要鋼構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評價結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)及疲勞壽命提供依據(jù)。
　?。?）支座、伸縮縫位移監(jiān)測
　　崇啟大橋主橋中間墩采用墩梁固結(jié)，其他墩設(shè)置縱向滑動支座。健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測主橋主梁的縱、橫向位移，為評估風荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據(jù)。同時橋梁進入運營階段，伸縮縫是易于損壞的構(gòu)件，實時監(jiān)測伸縮縫處的位移，能夠了解伸縮縫處變化情況。由于主橋主梁是一個整體，為提高效率節(jié)省資源，支座位移與伸縮縫位移合并監(jiān)測。
　?。?）撓度監(jiān)測
　　崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測大橋的主梁幾何線形及其變化，研究撓度變化與環(huán)境變化（風、溫度、交通荷載）的關(guān)系，為大橋工作狀態(tài)動態(tài)顯示及結(jié)構(gòu)健康評估提供資料。
　?。?）體外索索力監(jiān)測
　　崇啟大橋引橋水中段采用預(yù)制節(jié)段整跨拼裝50米連續(xù)梁橋，其體外預(yù)應(yīng)力束工作狀態(tài)使其正常使用的關(guān)鍵所在，通過加速度傳感器使用振動法測量索力能夠較準確地測量出體外索索力，從而達到實時掌握體外索拉力情況，為評估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)目的。
　　2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
　　數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負責傳感器信號的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元（工作外站）和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件組成。
　　2.3 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)
　　崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用C/S（客戶機/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，中央數(shù)據(jù)庫采用Oracle，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW8。
　　2.4 結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評估子系統(tǒng)
　　崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)目前主要分為綜合評估以及監(jiān)測評估兩部分。綜合評估主要是對大橋日常人工養(yǎng)護所提供的數(shù)據(jù)并且結(jié)合實時健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTGT H21-2011）進行相應(yīng)評估打分，最后以分數(shù)形式表示橋梁養(yǎng)護狀態(tài)。
　　“崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估”通過對大橋的風荷載、大氣溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度、撓度、支座位移、體外索索力、地震船撞、應(yīng)變等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算最終以百分制的分數(shù)形式直觀提供給用戶。
　　3 結(jié)語
　　崇啟大橋根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的特點，建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測與狀態(tài)評估。目前，該系統(tǒng)已運行一年多時間，在運行期間，運營單位定期對系統(tǒng)、外場設(shè)備進行分析、檢測及維護，按月出具崇啟大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)月報，為崇啟大橋提供了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明了系統(tǒng)的合理性、可行性和大橋的安全可靠性。
　　橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及土木工程、力學(xué)、測試技術(shù)、計算機、圖形學(xué)、通信等多門學(xué)科，隨著系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高、完善和研究內(nèi)容的不斷深化，系統(tǒng)的自動化程度將不斷提高，最終可以實現(xiàn)一整套完善的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測與評估報警系統(tǒng)，從而提高橋梁運營期的結(jié)構(gòu)安全。
　　參考文獻：
　　[1]Wang BS，Liang XB，Ni YQ，et al.Comparative study of damage indices in application to a ling2span suspension bridge [A].In：Ko J M， Xu YL，eds. Proceedings of the Interna2 tional Conference on Advances in Structural Dynamics[C].Hong Kong：the Hongkong Polytechnic
　　University，2000.1085 1092.
　　[2]連啟濱，現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與評估技術(shù)[J].公路，2002（9）.
　　[3]韓大建，謝峻.大跨度橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的近期研究發(fā)展[J].交通運輸工程學(xué)報，2002.

土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究進展

鋼結(jié)構(gòu)檢測-鋼網(wǎng)架檢測內(nèi)容及方法

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