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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(xì)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(yùn)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(fēng)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(yùn)期間的承載能力、營運(yùn)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(jìn)行監(jiān)測的一種完整的在線實(shí)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(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主橋?yàn)殡p幅102m+4×185m+102m的六跨鋼連續(xù)梁橋，引橋?yàn)?0×50m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(yùn)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(yùn)營期養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，以主橋?yàn)橹?、兼?0m跨引橋，重點(diǎn)關(guān)注主橋風(fēng)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(jī)內(nèi)，同時通過計算機(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)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(xiàng)：①荷載監(jiān)測：風(fēng)、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(diǎn)設(shè)計，崇啟大橋設(shè)風(fēng)速測點(diǎn)2個，溫濕度測點(diǎn)8個，結(jié)構(gòu)溫度測點(diǎn)72個，伸縮縫位移測點(diǎn)8個，撓度測點(diǎn)9個，應(yīng)變測點(diǎn)72個，振動測點(diǎn)26個，地震及船撞測點(diǎn)21個，體外索索力測點(diǎn)16個。 
　?。?）風(fēng)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(fēng)荷載作用下，可能產(chǎn)生風(fēng)致振動。崇啟大橋在實(shí)際運(yùn)營中，需要實(shí)時監(jiān)測風(fēng)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?yàn)殇撨B續(xù)梁橋，更需要監(jiān)測鋼箱梁內(nèi)的溫濕度。 
　　（3）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(shí)時監(jiān)測大橋主橋主梁及主墩各部位在風(fēng)、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(yàn)證大橋設(shè)計理論及運(yùn)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(fēng)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(fēng)荷載、船撞、地震、交通對主梁的作用提供依據(jù)。同時橋梁進(jìn)入運(yùn)營階段，伸縮縫是易于損壞的構(gòu)件，實(shí)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(shí)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(fēng)、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(zhǔn)確地測量出體外索索力，從而達(dá)到實(shí)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(fù)責(zé)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(jī)/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(hù)所提供的數(shù)據(jù)并且結(jié)合實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》（JTGT H21-2011）進(jìn)行相應(yīng)評估打分，最后以分?jǐn)?shù)形式表示橋梁養(yǎng)護(hù)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(fēng)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(jìn)行計算最終以百分制的分?jǐn)?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(diǎn)，建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測與狀態(tài)評估。目前，該系統(tǒng)已運(yùn)行一年多時間，在運(yùn)行期間，運(yùn)營單位定期對系統(tǒng)、外場設(shè)備進(jìn)行分析、檢測及維護(hù)，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(jī)、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(shí)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(yùn)營期的結(jié)構(gòu)安全。 
　　參考文獻(xiàn)： 
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　　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(yùn)輸工程學(xué)報，2002.
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