橋梁強震動監(jiān)測、仿真和安全診斷應(yīng)用研究和展望

姜 慧 王克海 李雪艷 王立新

1）廣東省地震局，廣州 510070

2）交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 10088

3）暨南大學(xué)，廣州 510632

在國內(nèi)外眾多破壞性地震中，幾乎都有程度不等的橋梁破壞，如倒塌、橋墩傾斜、偏移或沉陷等。本研究的是改進和完善多通道強震動數(shù)據(jù)采集器的軟硬件功能，研發(fā)擁有自主技術(shù)、價格便宜的多通道數(shù)字采集設(shè)備；在對國內(nèi)外橋梁數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)健康診斷、損傷識別方法綜合調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，從理論分析、數(shù)值模擬、實驗研究及實際橋梁檢驗4個方面對運營橋梁展開研究；基于實橋?qū)嶒灱坝^測數(shù)據(jù)，研發(fā)一套可視化的有限元分析與評價軟件系統(tǒng)，提供強震監(jiān)測實際結(jié)果與理論計算結(jié)果的可視化對比顯示，提出符合現(xiàn)行規(guī)范的橋梁抗震性能評價結(jié)果，為業(yè)主決策提供技術(shù)支持；研究橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)實時接收、匯集與顯示技術(shù)，及數(shù)據(jù)分析、有限元分析等子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫連接的方法與調(diào)用技術(shù)，開發(fā)橋梁監(jiān)測、安全評估與可視化技術(shù)集成的服務(wù)平臺。

1 研究方法

（1）橋梁強震動監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)。通過完善自主研發(fā)的多通道強震動數(shù)據(jù)采集器的各項軟硬件功能，為橋梁強震動監(jiān)測提供擁有自主技術(shù)、物美價廉的多通道數(shù)字采集設(shè)備；通過在強震區(qū)架設(shè)實橋監(jiān)測系統(tǒng)、開展振動臺模型實驗和野外廢棄橋梁試驗，驗證其他協(xié)作任務(wù)提出的安全診斷分析方法和有限元模擬仿真的可靠性，并為大型橋梁的抗震設(shè)計和加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真與抗震性能評價系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析與抗震性能評價系統(tǒng)研究方法主要包括：系統(tǒng)功能需求分析；系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析；前處理模塊研發(fā)；計算模塊研發(fā)；評價模塊研發(fā)；后處理模塊研發(fā)；用實橋監(jiān)測數(shù)據(jù)對軟件系統(tǒng)進行測試與驗證。

（3）橋梁強震動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和健康評估方法。在對國內(nèi)外橋梁數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)健康診斷、損傷識別方法綜合調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，從理論分析、數(shù)值模擬、實驗研究及實際橋梁工程實施4個方面對運營橋梁展開研究，提出一套對運營橋梁較為有效的強震動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和性能評估的方法，在發(fā)生地震或船只、重車撞橋等事件后，對橋梁的健康現(xiàn)狀做出快速評估。主要是通過研究橋梁結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境荷載下的振動特性，發(fā)展和完善適合于運營橋梁強震動監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的分析方法，基于實際橋梁長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，從橋梁振動響應(yīng)中建立健康評估指標來指示結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，并利用實驗室模型實驗、振動臺實驗、實際橋梁數(shù)據(jù)檢驗所提出健康評估方法的有效性和可靠性。

（4）橋梁監(jiān)測與評估系統(tǒng)集成與可視化系統(tǒng)。在大型區(qū)域地震臺網(wǎng)處理系統(tǒng)的平臺上，根據(jù)各子系統(tǒng)軟件的特殊需要，制定標準數(shù)據(jù)交換格式，便于與子系統(tǒng)軟件（包括計算分析軟件MATLAB、結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS或?qū)ｉT的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等軟件）的對接，并編制核心的接口軟件,完成對所有子系統(tǒng)軟件的運行和調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。在大型區(qū)域地震臺網(wǎng)處理系統(tǒng)JOPENS的架構(gòu)上，使用與系統(tǒng)平臺無關(guān)的JAVA語言開發(fā)橋梁強震動監(jiān)測與評估系統(tǒng)，實現(xiàn)接收、存儲并分析處理多通道數(shù)據(jù)采集器發(fā)回的實時橋梁振動信息，并針對不同用戶需求，開發(fā)友好的可視化用戶界面。

2 成果展望

（1）在對現(xiàn)有進口多通道強震動數(shù)采儀研究的基礎(chǔ)上，通過部分硬件改進、部分數(shù)據(jù)采集軟件的研發(fā)，有望改造出擁有自主技術(shù)的、價格便宜一半的多通道強震動數(shù)據(jù)采集器，（2）研發(fā)“橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真與評價系統(tǒng)”軟件，并獲得軟件著作權(quán)。（3）完成“橋梁強震動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和健康評估方法”的研究。

（4）編制“橋梁強震動監(jiān)測技術(shù)規(guī)程”，與《公路橋梁抗震性能評價細則》聯(lián)合使用，將使橋梁強震動監(jiān)測、仿真和安全診斷在工程中應(yīng)用規(guī)范化。