大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監測系統研究與設計

龍立敦，符鋅砂

(華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640)

隨著我國交通事業的快速發展，大跨度橋梁大量興建，其安全性、耐久性和適用性是整個交通網絡可靠運行的關鍵。實時有效地對橋梁在建造和使用過程中的結構工作狀態、使用性能和結構損傷進行監測和科學、客觀的評價，可使橋梁獲得更好的使用性能和更長的使用壽命，世界各國都投入了大量資金進行研究，并建立了多種不同的監測、評價系統。但由于橋梁結構日益復雜，規模日益龐大，建造和運營過程中，在對由荷載、環境和材料退化影響而產生的各種損傷進行管理和養護時，傳統的方法越來越不能滿足要求。國內近年來發生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故表明:構件疲勞加之監測養護措施跟不上，導致構件的承重能力和結構使用性能嚴重削弱，最終導致坍塌事故的發生。因此，根據各類橋梁的結構體系和受力特點，設定永久性觀測點和觀測網，有針對性地建立橋梁檢測規范、規程，提出橋梁檢測方法和橋梁檢測頻率，建立橋梁健康監控與預警系統，不僅能實現對橋梁結構狀況及安全指數實時分析和預警，同時也可為橋梁管理者進行橋梁技術狀況評價與預測、橋梁養護對策、確定合理橋梁養護資金需求、優化橋梁養護維修決策等提供科學依據和決策支持［1］。

1 系統的研究與應用現狀

美國在20世紀80年代中后期，開始在多座橋梁上布設監測傳感器，如佛羅里達州的Sunshine Skyway斜拉橋安裝了500多個各類傳感器，用來測量橋梁建設與運營期間的溫度、應變及位移［2］。此后，通過在橋梁布設傳感器對橋梁工作狀態進行監控的做法在全世界范圍內興起，希臘的Halkis橋、丹麥的Faroe跨海斜拉橋、大帶橋(GreatBeltBridge)、英國的Flintshire獨塔斜拉橋、挪威的Skarmsundet斜拉橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、日本的明石海峽大橋等也安裝了不同規模的監測系統。國內目前已在南京長江二橋、鄭州黃河大橋、貴州壩陵河大橋、深圳西部通道、香港青馬大橋、汲水門大橋等眾多大跨徑橋梁上建立了不同規模的健康監測系統。

這些已建成系統具有以下一些共同特點:(1)通過測量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行為的各種記錄;(2)強調對結構環境條件的監測和記錄分析;(3)力求獲取的大橋結構信息連續而完整;(4)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現數據的網絡共享［3］。同時，這些系統也存在一些比較普遍的問題:(1)傳感器選型與布設方法合理性有待商榷;(2)部分系統不能對獲取的海量數據進行快速有效處理，造成數據災難;(3)橋梁健康狀況評價體系不完備，使得監測到的有效數據未能有效應用于橋梁狀況評估之中;(4)系統的有機結合需要加強。健康系統由許多子系統組成，如何將這些子系統更有效地結合起來進行評估需要進一步研究［4］。

2 系統總體設計

2.1 系統設計目標

大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監測系統，旨在針對不同高速公路段出現的特殊的地理環境和氣候、交通條件，研究出一套適合大跨徑混凝土斜拉橋的施工、運營監測方案，發現施工運營時的不安全因素，對橋梁結構狀態進行監測與評估，當橋梁狀況嚴重異常時進行預警，為橋梁施工、維護與管理決策提供依據和指導。系統涵蓋了橋梁的施工到運營的各階段，每個階段的功能有所不同，卻又相互聯系。

施工階段:(1)在設計完成后把設計資料和傳感器布設方案信息錄入到系統數據庫，為施工過程仿真和施工過程控制提供基本數據支持;(2)施工階段按設計階段設計好的傳感器布設方案完成全部傳感器布設，減少建成后再布設傳感器對橋梁結構造成的擾動，確保傳感器的耐久性;(3)根據斜拉橋結構特殊性，重點對主梁線形、索塔變位、截面應力和斜拉索索力［5］進行全程監測，確保施工過程結構安全;同時系統對施工數據進行保存，作為下一階段的基礎數據。運行階段:(1)自動的對使用中的大跨度斜拉橋進行結構、系統損傷積累和抗力衰減進行檢測;(2)對橋梁的安全性進行評定、對可能出現的損傷狀況進行智能預警和乃至提供修復方案，控制其損傷，保障結構的安全性、完整性、適用性和耐久性;(3)在系統使用過程中依據自身實踐發展新的養護管理方法、監測技術及相應的評估理論和方法。

2.2 系統總體設計思路

大跨徑混凝土斜拉橋施工運營監控系統致力于對現代高速公路普遍采用的大跨度混凝土斜拉橋從施工到運營全程的仿真與監測。系統的設計依據現行的公路橋涵施工技術規范和公路橋涵養護技術規范等相關技術規范和標準，參考國內外先進的系統建設方案，結合國內公路斜拉橋施工和監測實踐，力求實現對斜拉橋從施工到運營的全壽命周期無縫監測，每一階段的監測數據均能迅速轉化為下一階段分析模擬的基礎信息，使分析評價、仿真結果更加可靠。

系統以安裝在橋梁上的各類傳感器所采集的數據為基礎，結合目前先進的橋梁健康監測和安全評價理論建立:采用耐久性施工4D仿真模擬技術實現對橋梁施工和運營的3D動態圖像化實時仿真，多傳感器信息融合技術、數據挖掘技術和自動損傷識別技術實現對相關數據的挖掘、關聯并通過其判斷出橋梁的狀態和為對可能的破壞修補方案決策提供支持。以上4個關鍵技術能夠實現對橋梁的施工運營一體化實時監測，保障施工和運營過程中的安全、確保公路運行的暢通并對可能出現的破壞進行及時預警和提出處治方案，全面提高公路服務水平和提高管理部門的管理水平。

2.3 系統架構及工作流程

針對系統集成化、智能化、數據共享等要求，系統采用分布式系統架構對橋梁的檢測數據進行采集，通過網絡進行數據傳輸，將采集回來的橋梁健康狀況數據信息用數據庫統一存儲到系統的數據管理中心，并為橋梁健康狀況評價及預警子系統提供數據支持［6］。在此基礎上實現對橋梁健康狀況的實時監測、緊急狀況信息發布和預警。提高橋梁監測的智能化，確保道路交通的安全、暢通。系統包括三方面的內容:橋梁施工過程檢測、橋梁運營階段健康監測、橋梁健康狀況評價和預警。

(1)系統總體架構

大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監測系統應用由橋梁檢測信息集成系統和橋梁安全健康評價和預警3個部分組成。如圖1所示。

圖1 系統架構

(2)系統工作流程

系統重在實現對大跨徑混凝土斜拉橋施工運營全過程的實時、動態可視化監測。工作過程可分為3個階段:施工階段，管理人員在向系統輸入橋梁設計參數和施工場地參數后，系統智能生成施工進度計劃。同時，根據在施工過程中布設的傳感器所獲得的數據，對橋梁施工進度和橋梁結構狀態進行分析計算，對橋梁施工過程進行4D仿真，在分析計算結果的基礎上合理調整施工計劃，使各項指標滿足規范要求，增進安全施工和實現科學管理。運營階段，系統按照橋梁交付使用時的狀態，建立結構健康監測模型，結合傳感器系統傳回的數據運用ANSYS軟件對橋梁體系進行動力仿真分析，把橋梁各個關鍵工作點、工作面的工作狀態通過視覺化形式顯示出來。同時，根據橋梁現時狀態和預測工作環境數據對橋梁進行損傷累計過程的模擬。損傷修復階段，當系統出現突發狀況或疲勞失效時，系統自動進行損傷程度計算，并根據損傷時橋梁狀態預測損傷造成的后果并自動報警。同時，依據橋梁建設時設立的緊急狀況預警與修復方案數據庫，在人工干預的前提下生成應急預案。系統設計強調監測預警工作自動化，能自動調用數據庫中數據進行計算分析和模擬仿真，只有在一些特殊情況下需進行人工干預。系統的工作流程見圖2。

3 系統組成

大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監測系統是針對目前公路工程中廣泛使用的混凝土斜拉橋結構體系施工和運營過程中結構在環境和荷載條件下結構的響應狀態做出實時監測的系統，系統的使用將有助于橋梁的施工管理和運營管理更加自動化、信息化和智能化［7］。一體化監測系統由2個緊密關聯的系統構成，即施工過程控制和施工階段監控系統、橋梁運營階段健康監測系統。

3.1 施工過程控制和施工階段監控系統

圖2 系統工作流程

該子系統服務于斜拉橋的施工階段，包括分類錄入橋梁設計參數，為施工過程仿真和施工控制提供基礎數據支持;在橋梁開始施工后，根據規范要求和斜拉橋的特性，制定出針對斜拉橋的施工監測方案和全部傳感器的布設安排，使系統能夠獲取從施工期的連續監測數據，包括:主梁線形、索塔變位、截面應力和斜拉索索力等關鍵數據。最后根據傳感器獲得的數據對橋跨結構進行實時理論分析和結構驗算，及時調整和預警不合理之處。

依據該子系統的組成，系統主要分為以下6大子系統:

(1)斜拉橋設計數據及結構驗算數據錄入子系統。把橋梁的設計參數分類錄入到數據庫系統，以便進行結構驗算、施工階段數據查詢、施工誤差驗算及預警數據查詢對比;

(2)斜拉橋施工仿真計算子系統。根據斜拉橋施工控制特點及要求，按照施工和設計所確定的施工工序以及設計時提供的基本參數，對施工過程的結構受力和變形等進行施工控制和計算驗證;

(3)參數自動采集子系統。對橋梁施工過程中的應力、索力、線形等數據進行監測，并實時反饋到控制系統;

(4)神經網絡控制子系統。對橋梁施工控制中存在的誤差來源多樣性和控制目標多樣性的特點，采用神經網絡控制理論［8］進行施工控制;

(5)施工模擬4D仿真子系統。在對傳統混凝土斜拉橋施工工序3D模擬的基礎上，附加時間因素，將模擬過程以動態的3D方式圖像化［9］表現出來，對計劃進度與實際進度進行對比。

(6)施工誤差驗算及預警子系統。對施工過程采集反饋的數據進行驗算，對于超過最大誤差的進行報警。

3.2 橋梁運營階段健康監測系統

橋梁健康監測子系統主要是針對成橋運營后的橋梁結構狀況問題進行監測，系統的構架有以下幾個模塊。

(1)傳感器子系統 該系統是橋梁健康監測系統最底層的硬件系統，根據不同的橋梁監測內容和監測等級，選擇相應的傳感器類型和傳感器數量并進行最優化的傳感器位置布置。根據規范標準要求和大跨徑斜拉橋特點，監測的內容主要有:風荷載監測、空氣濕度監測、截面溫度場監測、地震監測、動態交通荷載監測、雨量監測、腐蝕監測、結構應變監測、大橋空間幾何變位監測及沖刷監測等。

(2)數據采集與傳輸子系統 數據采集系統由數據采集單元、數據采集網絡和相關的軟件組成［10］。該系統需要采集的數據包括:光纖光柵信號、電流電壓信號、智能數字信號、脈沖信號和GPS信號等［11］。數據傳輸系統則將采集到的數據信號傳送給系統服務器，目前可采用的傳輸方式包括遠程傳輸和本地現場有線傳輸2種方式。

(3)數據處理和控制子系統 該系統一般設在大橋管理監測中心內，主要功能為:在建立斜拉橋健康監測基準模型對橋梁的整體靜、動力特性及結構各構件進行細致模擬基礎上，自動運用ANSYS軟件強大的后處理功能對監測數據、橋梁設計參數和施工記錄數據進行調用分析和對系統進行模擬，進行疲勞損傷積累過程和其他失效過程的仿真分析［12］。另外，當遇到特殊情況時該系統還能在人工干預下對橋上遠程數據采集站進行控制，對數據庫中的數據進行增刪或修改等操作。

(4)橋梁結構狀態評估及預警子系統 斜拉橋監測系統的核心目標和最終目標是對橋梁損傷進行識別，建立橋梁損傷的計算分析模型，進一步對橋梁的健康和安全狀態進行評定和預測，并即時預警。該子系統主要包含以下幾個方面內容。

①結構狀態評估內容的確定和評估預警指標體系建立。根據斜拉橋的特點，確定對其健康運營影響最大的因素，并分析各個影響因素可能導致的破壞形式和后果;然后根據相應的影響因素建立評估預警體系，如確立各個指標的閾值等。

②橋梁結構健康監測評估基準模型。利用ANSYS軟件分析計算的結果和耐久性監測結果，通過耐久性分析方法和結構安全可靠度評價計算的可靠度指標，評價結構安全性和耐久性。結合橋梁模型，把橋梁體系每個構件的可靠度和安全系數實時的用動態可視化的方式展示到監測人員眼中。

③橋梁損傷識別模型。當安全性評價的可靠度超出閾值或者出現突發狀況時，及時發現橋梁損傷，對損傷進行分析計算。進而觸發啟動應急預案模塊并傳遞損傷計算結果，并且依據橋梁的實時狀態和環境因子分析模擬損傷破壞的發展軌跡，生成相關參數。

④應急預案模塊。橋梁建成運營時，根據橋梁施工和設計參數、環境影響因子，對橋梁在使用年限內可能出現的破壞類型做出合理預測，針對可能的突發狀況或累積損傷狀況建立相應的應急處理辦法，包括報警方式和修復方案等;在被上一模塊觸發后，可自動或在人工干預情況自動報警，智能的生成應急預案和橋梁結構修復方案，并計算財產損失并生成相關報表。

(5)數據管理子系統。數據管理子系統是整個系統的“倉庫”，存儲和管理橋梁及其健康監測系統所有的硬件和軟件以及監測和分析結果全過程的信息，包括橋梁地理位置子庫、橋梁設計CAD圖紙子庫、橋梁施工監控子庫、成橋試驗子庫、健康監測系統硬件和軟件信息子庫、橋梁結構監測數據子庫和橋梁結構分析結果子庫等，系統計算模塊可根據需要自動調用相關數據進行計算?？筛鶕到y存儲和數據管理的不同要求，選擇SQL Server作為數據庫管理系統，實現對橋梁幾何數據、監測時間序列數據、圖像監測信息和文本信息的統一存儲。

4 結語

本文針對傳統的橋梁監測和監控系統的特點和存在的問題，結合大跨徑混凝土斜拉橋廣泛應用的現狀，提出了對橋梁全壽命周期進行監控的大跨徑混凝土斜拉橋施工運營一體化監控系統的總體設計思路和系統架構，完成了系統的總體設計和功能設計。充分利用了計算機的快速計算功能和ANSYS軟件的結構分析功能，使橋梁管理者能夠直觀的以視覺化動態化的形式監控橋梁結構運行狀態。對橋梁的全壽命周期進行監控，保證監控的連續性、準確性和有效性。系統的開發將有效減輕橋梁管理者的工作強度和提高橋梁監控的質量和效率。

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