膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統研究與設計

◎ 山東高速青島發展有限公司 周毅

1 引言

膠州灣大橋是青島市道路交通網絡布局中膠州灣東西岸跨海通道的重要組成部分，也是山東省“五縱四橫一環”公路網主框架的重要組成部分。膠州灣大橋包括滄口航道橋、紅島航道橋和大沽河航道橋、海上非通航孔橋和青島、黃島及紅島接線工程。滄口航道橋采用雙塔鋼箱梁斜拉橋方案，紅島航道橋采用鋼箱梁獨塔斜拉橋方案，大沽河航道橋采用獨塔自錨式懸索橋方案。

膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統（以下簡稱“結構監測巡檢養護管理系統”）通過測量反映膠州灣大橋環境激勵和結構響應狀態的信息，實時監測、定期檢測橋梁結構的工作性能，定時、定量地評價橋梁結構的健康狀態，以保證膠州灣大橋的安全運營，為膠州灣大橋的養護、維修提供科學依據。

結構監測巡檢養護管理系統中結構監測的范圍包括：滄口航道橋、紅島航道橋以及大沽河航道橋及其代表性的引橋（現澆段及預制拼裝段）各一聯；電子化人工巡檢養護管理范圍包括①膠州灣大橋主橋工程K8+190至K34+947.319段；②紅島連接線（HK0+000至HK1+310）段內所有可到達的橋梁結構物。

1.1 系統設計原則

膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。為使結構監測巡檢養護管理系統成為一個功能強大并能真正長期用于結構損傷和狀態評估，滿足膠州灣大橋養護管理的需要，同時又具經濟效益的結構監測巡檢養護管理系統，遵循如下設計原則：

大沽河航道橋索力監測布點圖

大沽河航道橋螺栓預緊力實時監測示意圖

1）統一設計、統一采購、統一實施、統一維護、統一管理。

2）遵循簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的指導思想。

3）系統設置首先需滿足膠州灣大橋養護管理的需要，立足實用性原則第一，兼顧考慮科學試驗和設計驗證等方面因素。

4）根據結構危險性分析的結果及養護管理的需求進行監測點的布設。

5）危險性分析原則考慮以下方面：

①不同類型的結構受力特點、構件的工作特征。

②設計時不同類型結構的控制斷面、控制點。

③結構不同類型材料的材料特性、使用特性。

④結構受外部環境及荷載影響后最易損傷部位。

⑤基于既有同類型結構已發生的損傷部位。

⑥目前階段尚未有足夠資料驗證的關鍵部位。

6）監測與結構安全性密切相關內容，主要監測一些有代表性的結構、必須進行監測的重要結構以及日常養護無法檢查或檢查非常困難的結構響應。

7）運用人工巡檢手段，加強對不易自動監測及自動監測性價比低的易損部位的定期檢測，以豐富用于結構狀態評估的數據。

8）從動力、靜力、耐久性對結構進行監測，力求用最少的傳感器和最小的數據量完成工作。

9）以結構位移監測為主，以力、應力、模態分析為輔助。

10）系統應具有穩定性、可擴展性。

1.2 系統總體思路

膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統的本質是結構養護管理系統，養護決策所需的數據通過傳感器的自動采集監測和人工定期巡檢兩種手段獲取，并通過統一的集成的數據處理模塊，進行有針對性的結構健康指標及結構特性的分析。得到結構狀態在線評估的相關結論，得到結構健康指標及突發事件的及時預警信息，為結構養護決策提供支持，為進一步的專家級的離線評估提供支持。

系統的建設目標是建立一套符合當前技術發展水平的具有可持續發展能力的結構監測巡檢養護管理系統。結構監測巡檢養護管理系統需要一個結構狀態評估模型作為核心支持引擎，該模型是系統可用性的基礎和保證，但是本類系統是對實橋運營狀態的監測評估系統，而且傳感器量測的結果大多是相對量，這就意味著任何設計理論、實驗室、同類橋型的經驗在對膠州灣大橋應用時均有可能產生偏差，從而不能準確評估結構狀態及指導養護。為此我們需采取以下措施應對。

1)數據挖掘

針對以上情況，有必要對實橋在運營期的行為進行分析，而這類分析的實質是數據挖掘，分析數據本身及數據間的規律，使用的主要方法是相關性分析。基于此目的，初始階段的監測布點不宜太少，且需要大量收集建設期的施工監控數據和荷載試驗數據，尤其是荷載試驗數據需作為本系統初次標定的依據。

2)模型進化

在系統中，結構狀態評估模型應是不斷進化的模型，在系統初始化過程中，可使用規范及設計值作為模型參數取值的依據，但由于規范值或設計值本身的含義和實測值的含義會有較大的差別，有必要通過不斷的模型進化來彌補這個差距。模型進化應該是個長期持續的過程，以適應結構本身的變化。

3)分層評估體系

受損傷識別技術和評估技術發展的限制，自動損傷識別及評估是本系統的遠期目標，當前需要設置分層評估體系，結合人工和自動評估兩種模式。具體來說，采用類似醫院看病的模式，系統本身作為一臺檢測設備，定期對結構各類監測、檢測數據進行分析，并對預設的多項結構健康指標進行自動評分，還可按照預設的總體評估模式給出結構狀態的初步分析結果，但這個結果僅作為專家進行進一步離線評估的依據，結構安全性、耐久性的最終評估結果由專家通過定期或不定期的離線評估方式給出。

本著以上的基本思想，結構監測巡檢養護管理系統的總體設計、實施及運營的總體流程為：總體方案設計→方案驗證→施工圖設計→采購→安裝調試→試運行→驗收→運營→優化。總體設計流程為：結構危險性分析→監測區段、監測內容、監測布點、監測數據要求設計→傳感器模塊設計→數據采集傳輸模塊設計→數據處理與控制模塊設計→巡檢養護系統設計→預警評估系統設計→軟件設計→系統初始化設計（含評估模型及具體參數）。方案驗證可采用小型實驗室系統，但作為實際應用系統，應盡量選用業界成熟的產品和成熟的系統架構，以減少設備本身及設備間兼容性的問題。本公司設計實施的多個系統均使用穩定可靠、可擴展的系統架構，本項目的方案驗證直接使用接入在用的東海大橋結構健康監測系統驗證的模式，相比使用小型實驗室系統具有更可靠的驗證說服力。施工圖設計的重點在于可施工性的驗證。

2 系統總體方案

2.1 系統功能總框架

膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統總體可劃分為三個功能子系統：

1）自動化數據采集系統：通過傳感器、數據采集和數據處理設備采集結構響應及環境特征數據。可進一步分為傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊、數據處理與控制模塊三部分。

2）巡檢養護系統：基于電子化的養護管理手冊，結合評估模塊的養護指導意見，進行日常的結構巡檢及養護的管理，并對各類檔案及費用進行有效的管理。

結構監測巡檢養護管理系統總體功能框架

3）預警評估系統：標準化傳感器監測及人工巡檢的各類數據，進行統一的數據處理、損傷識別、結構狀態評估及預警。

2.2 系統應用模式

膠州灣大橋運營期結構監測巡檢養護管理系統為B/S模式，系統用戶可在授權允許的情況下，通過局域網或Internet訪問本系統，客戶端不需安裝任何軟件，使用IE即可訪問。

系統主要的應用對象是日常使用人員、系統維護人員、養護人員、數據分析和評估人員、養護管理人員、專家、領導等，數據分析及評估人員和專家還可下載系統提供的在線和離線分析工具包進行專業分析。

外場作業人員（養護人員、系統維護人員）還可通過便攜式電腦及PDA維護系統數據。結構健康指標預警信息及突發事件預警信息可通過電子郵件、系統消息及手機短信等模式及時通知相關人員。

2.3 與施工監控及荷載試驗關系

2.3.1 與施工監控的關系

結構監測巡檢養護管理系統主要用于運營期的結構監測、檢測，并為結構養護服務；施工監控系統主要用于施工期間的結構監測、檢測，并為施工控制服務，兩者的服務目的雖然不同，但使用的監測手段及監測布點是相似的。為此，施工監控的數據對結構監測巡檢養護管理系統有很強的指導意義。

結構監測巡檢養護管理系統應用模式

此外，在運營期，影響結構監測巡檢養護管理系統監測數據的因素主要是活載的變化，從理論上講，需要研究活載作用下的結構特性和評估方法。施工期間影響施工監控系統監測數據的因素主要是恒載的變化，這就需要在結構加載前就安裝好傳感器，并在結構各施工工序前后進行觀測。當然，從現有的評估理論和評估方法看，掌握恒載作用下結構的響應有助于準確分析活載作用下的結構響應，但是考慮到施工期間設備的可安裝性和耐久性均不是很理想，大量使用長期監測設備用于施工監控也是不現實的，為此可綜合采取以下措施實現結構監測巡檢養護管理系統與施工監控系統之間的數據關聯，為結構監測巡檢養護管理系統積累施工期相應的監測數據依據。

1）選取若干關鍵監測截面，參考施工監控的監測布點情況，在加載前即安裝長期監測用傳感器，直接用于施工監控或者與施工監控數據進行同步比較。這類關鍵監測截面如：跨中合攏段的梁內應變監測設備在箱梁預制廠安裝；吊桿索力、主纜索力監測設備隨主纜及吊桿現場安裝時同步安裝。

2）收集施工監控中的相關數據，用于與運營期結構監測數據進行對比分析。

2.3.2 與荷載試驗的關系

荷載試驗按照荷載類型還分為靜力荷載試驗和動力荷載試驗。

將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，以便能夠測試出結構的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用能力的試驗稱為靜力荷載試驗。對于橋梁結構來說，靜載往往是指以緩慢速度行駛到橋上指定荷重級別的車輛荷載。橋梁靜載試驗的目的包括：

● 檢驗橋梁結構設計與施工質量。

● 驗證橋梁結構設計理論和計算方法。

● 直接了解橋梁結構承載情況，借以判斷橋梁結構實際的承載能力。

● 積累科學技術資料，充實與發展橋梁計算理論和施工技術。

采用動力荷載，如行駛的汽車荷載或其他動力荷載作用于橋梁結構上，以測出結構的動力特性，如振動變形，從而判斷出橋梁結構在動力荷載下受沖擊和振動影響的試驗稱為動力荷載試驗。橋梁的動力荷載試驗與靜力荷載試驗相比具有其特殊性。首先，引起結構產生的振源(如車輛、人群、陣風或地震力等)和結構的振動影響是隨時間而變化的，而結構在動荷載作用下的響應與結構本身的動力特性有密切關系，動荷載產生的動力效應一般大于相應的靜力效應；有時，甚至在一個不大的動荷載作用下，也可能使結構受到嚴重的損壞。橋梁動力荷載試驗的目的包括：

● 測定動荷載的動力特性，即引起結構產生振動的作用力的數值、方向、頻率和作用規律等。

● 測定結構的動力特性，如結構的自振頻率，阻尼特性及固有振型等。

● 結構在動荷載作用下的強迫振動的響應，如振幅、動應力、沖擊系數及疲勞性能等。

● 結構監測巡檢養護管理系統的監測設備可以用于荷載試驗期間的數據監測，而且由于荷載試驗使用明確重量和行進方式的荷載作用于結構上，對結構監測系統本身是一個很好的系統總體標定的措施，如荷載試驗使用獨立的傳感器設備，還能對結構監測系統設備的監測質量做一定程度的驗證。利用荷載試驗情況下結構監測系統的監測數據可以分析得到部分監測設備合理的零值，使監測值更具明確的物理意義。

2.4 與其它系統的關系

結構監測巡檢養護管理系統與其它系統也存在密切關系，其它系統主要有：公共信息源（氣象、水文、地震）、綜合監控、建設期工程管理信息系統，以下分別描述。

2.4.1 與公共信息源的關系

公共信息源主要是指一些公開的信息網站，結構監測巡檢養護管理系統主要從公開信息源獲取膠州灣大橋所處地理位置在某時間的氣象、水文和地震信息，以補充系統監測的數據內容，如水文數據；同時亦可利用獲取的公共信息校核系統監測的原始數據是否有大的異常。

與公共信息源接口的數據流程圖

上圖表示了公共信息源與結構監測巡檢養護管理系統的接口數據流程和獲取數據的主要用途。

2.4.2 與綜合監控系統的關系

與綜合監控系統主干傳輸網絡共纜

綜合監控系統需向結構監測巡檢養護管理系統提供主干傳輸光纜資源，即同纜不同芯，結構監測巡檢養護管理系統單獨成網，以確保數據傳輸的質量和可靠性。

綜合監控系統中的交通監控是膠州灣大橋橋面車輛通行狀況及通行車輛信息的監控系統，結構監測巡檢養護管理系統需從綜合監控系統中獲取的信息包括：

● 監測區段路面及海面交通視頻信號：用于結構監測巡檢養護管理系統做突發事件的事后分析評估用。

● 大橋入口所測得的車重信息等：用于統計分析車荷載數據。

右圖表示了綜合監控系統與結構監測巡檢養護管理系統的接口數據流程和獲取數據的主要用途，當結構監測巡檢養護管理系統監測到異常信號（如重車超限預警）后，數據顯示模塊向綜合監控系統發送查看預警位置附近交通監控視頻的信號，該信號包含起始時間、監測區段和交通監測視頻點編號，其中交通監測視頻點編號與綜合監控系統中編號相同，由結構監測巡檢養護管理系統從綜合監控系統中獲取編號預存于結構監測巡檢養護管理系統的系統參數數據庫中。如有需要，結構監測巡檢養護管理系統還可向綜合監控系統發送控制軸重的數據，這里主要是指如遇到大風開始控制橋梁交通時的情況。

與綜合監控系統接口的數據流程圖

2.4.3 與建設期工程管理信息系統的接口

結構監測巡檢養護管理系統與工程管理信息系統的接口主要在于獲取結構相關的設計和施工資料。與前面描述的接口不同，建設期工程項目管理信息系統直接通過數據庫與結構監測巡檢養護管理系統進行數據交互，即用戶仍可通過建設期工程管理信息信息系統維護相應的結構信息，而結構監測巡檢養護管理系統直接共享其數據庫，數據顯示時直接從數據庫讀取相應的結構信息。為實現數據共享，需要在結構監測巡檢養護管理系統中建立監測部位和建設期工程管理信息系統中工程部位及構件的關聯。

為進一步豐富結構監測巡檢養護管理系統的顯示方式，可以利用建設期工程管理信息系統中的4D形象進度模塊用于監測數據和巡檢數據的顯示和查詢，并可通過點擊相應的結構部位方便的查詢結構單元的信息卡和病歷卡。