大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統研究1

姜　慧1，2，3　王立新1，2，3　嚴　琨1，2，3　趙賢任1，2，3馬宏偉4丁　樺5聶振華41廣東省地震局，廣州 5100702廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 5100703中國地震局地震監測與減災技術重點實驗室，廣州 5100704暨南大學，廣州 5106325廣州中國科學院工業技術研究院，廣州 511458

大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統研究1

姜慧1，2，3）王立新1，2，3）嚴琨1，2，3）趙賢任1，2，3）
馬宏偉4）丁樺5）聶振華4）
1）廣東省地震局，廣州 510070
2）廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070
3）中國地震局地震監測與減災技術重點實驗室，廣州 510070
4）暨南大學，廣州 510632
5）廣州中國科學院工業技術研究院，廣州 511458

姜慧，王立新，嚴琨，趙賢任，馬宏偉，丁樺，聶振華，2016.大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統研究.震災防御技術，11（2）：261—271.doi：10.11899/zzfy20160209

大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統包括四個方面的技術內容：①基于B/S架構的橋梁強震觀測臺陣實時監測技術；②基于多指標信息融合技術的橋梁安全評估方法；③快速橋梁數值仿真技術和抗震性能評估；④橋梁監測與評估系統集成與可視化系統。該系統實現了橋梁強震監測數據實時采集、傳輸、分析、診斷、仿真和評估一體化。平時不間斷地分析診斷橋梁與初始或完好狀態動力特性的差異，為橋梁養護和加固提供參考依據；發生船撞或地震時，快速評估事件后橋梁的安全狀態，并對異常進行警報，給橋梁管理方提供破壞事件的強度信息。

大型橋梁地震安全健康診斷快速仿真在線監測與評估系統

引言

改革開放以來，我國建設了大量橋梁工程，特別是在沿海地區，建設了很多跨海、跨江河大型橋梁，有些已經使用了二三十年，在日常荷載、腐蝕、材料老化等因素的作用下，橋梁的健康狀況已經出現了一些問題，一旦遭遇地震或船撞擊，橋梁結構將面臨嚴重的威脅。大型橋梁結構的健康監測系統一直是國內外學術與工程界研究的熱點，并在部分橋梁上得到了應用（黃方林等，2005；李惠等，2006；李愛群等，2012），例如國內的武漢長江大橋、江陰長江大橋、潤揚長江大橋、蘇通大橋、杭州灣跨海大橋、香港的青馬大橋等幾十座大型橋梁上都安裝了健康監測系統。有研究者建立了城市橋梁安全監測及評估系統（馬俊等，2006）、橋梁船撞監測及評估系統（耿波，2007；杜彥良等，2015）；也有學者將GIS和地震工程技術結合起來建立了橋梁抗震管理和災害評估系統（王東升等，2003；陳明等，2004；趙立巖，2006；徐清，2006）。但由于橋梁結構及其所受荷載的復雜性，現階段橋梁結構健康監測及安全評估系統很難實時監控橋梁健康狀態和潛在危險。

本研究在對國內外已有監測系統深入研究的基礎上，通過對工程結構中常見的橋梁形式（連續梁橋、斜拉橋、懸索橋）的監測及分析，發展了一種集監測數據實時采集、橋梁損傷實時多指標融合分析、快速仿真和抗震性能評價一體化的橋梁安全評估系統。本系統不僅可實時評估橋梁日常運行情況下的安全狀態，在地震或橋梁被船撞時，也可快速評估事件后的橋梁安全狀態。另外，還可以根據橋梁所處的地震環境，模擬未來地震作用下橋梁可能的破壞情況，為橋梁抗震設計和抗震加固提供參考依據。

1　系統的總體設計

1.1系統總體設計

為了便于對各種功能分類管理，大型橋梁地震安全性在線監測與評估系統包含4個分系統：①橋梁強震觀測臺陣在線監測系統（簡稱“在線監測系統”）；②基于多指標信息融合技術的橋梁安全評估系統（簡稱“安全評估系統”）；③橋梁快速仿真和抗震性能預測系統（簡稱“仿真預測系統”）；④橋梁監測、評估、仿真、預測可視化集成系統（簡稱“可視化集成系統”）。通過在線實時監測和橋梁結構參數及其演化特征識別，實現強震作用下橋梁結構安全性的預測和警報，為大型橋梁安全運行服務。各分系統主要內容及相互間的聯系見圖1。

圖1　各分系統的主要功能及聯系Fig.1　The main content of each subsystem and its association

1.2各分系統主要功能

1.2.1橋梁在線監測系統

開發基于B/S架構的橋梁強震動監測軟件，通過網絡化技術，實現了同時對多個臺陣采集的強震觀測數據進行匯集、傳輸、常規分析處理及存儲管理，對其運行情況進行實時監控。同時，對橋梁可能遭遇的地震或船只、重車撞橋等事件進行實時監測和識別分析。

1.2.2安全評估系統

對多種基于動力特性的損傷診斷方法，進行多指標融合分析，篩選出統一標準、規范化、系統化損傷識別評估方法。通過編寫多指標損傷識別程序及融合分析評估程序，使系統可對日常荷載及偶然事件作用下的損傷狀況，快速判定是否有損傷發生，并提出綜合評估意見。

1.2.3仿真預測系統

本分系統包含橋梁結構參數反分析和有限元模型修正、橋梁結構快速仿真和地震作用下橋梁結構快速評估等子系統。橋梁結構快速數值仿真子系統中包括了人工地震的合成與輸入、環境載荷輸入、人工邊界、有限元模型生成、宏單元算法等。橋梁結構參數反分析包括利用不同激勵下的監測數據對橋梁結構參數的反演、信號降噪處理等。地震作用下橋梁結構快速評估技術通過快速數值仿真和模擬強震下橋梁結構對地震動的放大效應，實現橋梁抗震性能的快速預測。

1.2.4可視化集成系統

使用與系統平臺無關的Java語言開發橋梁在線監測與評估可視化集成系統，實現了接收、存儲并分析處理多通道數據采集器發回的實時橋梁振動信息，同時針對不同用戶需求，開發友好的可視化用戶界面，編制核心的接口軟件，供安全評估系統和仿真預測系統掛入，對地震或船只、重車撞橋等事件進行報警。完成對各子系統軟件的運行、管理和調用，為使用者提供界面友好的、可視化和集成化程度高的操作平臺。

2　監測系統的組成和安全評估方法

2.1在線監測系統的組成

在線監測系統主要包括傳感器網絡、數據采集和傳輸系統，已分別應用于佛開高速公路九江大橋、珠江黃埔大橋南汊橋懸索橋和虎門大橋主航道橋等不同類型的橋梁。下面以虎門大橋為例對監測系統進行介紹。

2.1.1傳感器網絡

為獲取橋址場地輸入地震動和橋梁整體特別是關鍵部位的地震反應實測數據，本臺陣測站分別布置在橋址地基、橋墩、橋塔、主梁等部位，共17測點，其中包括6個三分量加速度計、3個豎向-橫向雙分量加速度計、2個豎向-縱向雙分量加速度計，2個橫向-縱向雙分量加速度計、3個豎向單分量加速度計、1個縱向單分量加速度計，共計36線道，如圖2所示。

其中，在兩座主塔基礎上分別布置三分量加速度計以記錄大跨橋梁可能受到的多點地震動輸入，兩座主塔塔頂均設置三分量加速度計以記錄主塔的地震反應（圖2中A—A、E—E截面），在位于江中的番禺側橋塔塔頂和下橫梁上增設橫向及縱向加速度計以記錄主塔的扭轉反應（E—E截面）；在塔柱兩側加勁梁上（A1—A1、E1—E1截面）分別設置兩個多分量加速度計以記錄在地震慣性力作用下梁端可能出現的較大縱向漂移以及水平、豎向轉動；因為懸索橋整體不對稱，在主跨L/4、L/2、3L/4處（圖2中B—B、C—C、D—D截面）上下游都分別設置橫向及豎向加速度計以記錄豎向、橫向振動以及加勁梁的整體扭轉反應。

2.1.2數據采集和傳輸系統

系統由24通道中心記錄式數據采集器和力平衡式加速度計構成。數據采集器采用美國Kinemetrics公司生產的Granite多通道數字強震數據采集器，該數據采集器具備高動態范圍和高計時精度的特點，動態范圍90dB，通道數可達36道，所有通道同步采樣；具有GPS授時和本機存儲功能；具備閾值觸發、手動觸發等觸發模式；支持遠程通信與數據傳輸；支持UDP/IP協議。傳感器采用中國地震局工程力學研究所生產的SLJ-100FBA型加速度計，測量范圍±2g，頻帶0—80Hz，相位為線性（0—100Hz），動態范圍135dB。系統構成如圖3所示，系統采取遠程監控和存儲數據的方式，定時將儀器的運行狀況傳回臺網中心，臺網中心可以進行遠程儀器調試和數據采集，在檢測到突發事件發生后系統自動將事件的有關參數、數據傳回臺網中心。

圖2　虎門大橋監測臺陣布置Fig.2　Strong motion observation array of Humen Suspension Bridge

圖3　強震動監測系統專用設備技術系統構成Fig.3　Technical system components of strong motion monitoring system

2.2安全評估系統

安全評估系統選用了基于四個獨立的損傷指標的評估方法，分別是：主成分分析法、小波包能量法、重構相空間法和二次協方差（CoC）矩陣法（Takens，1981；Li等，2010）。得到的各個指標從不同方面反映了橋梁結構狀態，因此可以分別根據每個診斷指標來對橋梁的健康狀態進行實時評估。選用的這四種方法計算便捷，基本不需要人工干預，因此適合監測數據的準實時分析和評估，其中前三種方法均為每一分鐘計算一次，CoC矩陣方法每二小時計算一次。圖4是四種方法的計算結果示例。

圖4　四種方法計算結果示例Fig.4　Example calculation results by four methods

由于以上每一種方法都是通過基于橋梁結構的某一種物理特性來實現的，而單一的物理特性又很難全面地反映損傷的整體信息，所以單一指標的損傷識別方法存在誤判和漏判的可能，從而降低安全評估的可靠性。因此本系統采用自適應加權最小二乘法對多指標進行指標融合（聶振華等，2011），即：

其中，Wi為對應歸一化指標Xi的權值。求取W使得各指標的總方差最小：

其中，σ為各指標的方差值。然后把式（2）代入式（1），便可得到需要的融合指標。當該指標的值為“1”時，代表結構在正常運行。對實測數據進行分析，結果如圖5所示?？梢?，所選取時段內，融合指標的值圍繞著“1”上下波動，可據此推斷橋梁結構的狀態是穩定的。

2.3仿真和預測

快速仿真及抗震性能預測的本質是對橋梁在載荷或地震作用下的動力反應進行快速準確的有限元模擬。首先對所采集到的橋梁加速度信號進行信號降噪處理，通過參數反演計算出橋梁結構頻率阻尼比等有限元分析所需參數，然后應用宏單元算法生成橋梁有限元模型，添加人工邊界，對橋梁進行快速仿真分析。

以虎門大橋為例，采用宏單元法將其劃分為21個同步性區域，以此構造有限元模型。利用快速仿真系統計算虎門大橋的動力特性，并與通用有限元程序Ansys的計算結果進行對比。其中Ansys模型采用殼單元模擬鋼箱梁、梁單元模擬橋塔、桿單元模擬主纜和吊索，共計約200萬個自由度。從表1可以看到采用快速仿真系統計算的前10階自振頻率與Ansys計算結果的誤差均在1%以內。同時采用虎門大橋監測臺陣記錄到的2013年河源4.8級地震記錄放大10倍作為地震動輸入，時程曲線如圖6所示，采用本系統計算得到的塔頂位移時程曲線與Ansys的計算結果一致，如圖7所示，而本系統的計算時間為43.07s，明顯優于Ansys 的3個小時，說明仿真系統在保證精度的前提下可以快速完成大型橋梁的動力特性計算。

表1　虎門大橋自振頻率計算結果對比Table 1 Comparison for the results of natural frequency of Humen Suspension bridge

圖6　地震動時程曲線Fig.6　Seismic time history curves

圖7　虎門大橋索塔頂地震位移響應對比Fig.7　Comparison of seismic displacements at the top of pylon of Humen Suspension bridge

仿真的一個重要目的在于快速評估橋梁的抗震性能，根據橋梁所處的地震環境，可合成人工波或選擇天然地震波模擬未來地震作用，對這些地震波進行降噪、去零處理后的加速度信號作為抗震性能預測的輸入，通過模擬地震作用下橋梁結構的動力反應，預測橋梁不同部位的地震載荷值，與橋梁的設計載荷進行對比，即可估計出橋梁的薄弱環節所在，實現橋梁抗震性能快速預測，為橋梁維護或抗震加固提供依據。

2.4可視化集成系統的實現

本系統是在J2EE架構的基礎上開發的B/S結構（Browser/Server）系統（圖8）。B/S結構系統最大的優點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網的電腦即可，維護和升級方式簡單。

圖8　B/S結構示意圖Fig.8　Schematic diagram of Browser/Server architecture

按照J2EE架構將系統分成4層：數據持久層、業務邏輯組件層、MVC模式的控制器層和表現層。為了與JOPENS系統的無縫結合，本項目采用Hibernate技術作為數據持久層，它對JDBC進行了非常輕量級的對象封裝，從而使操作數據庫可以隨心所欲地使用對象編程的思維；業務邏輯層由系列的業務邏輯對象組成，這些業務邏輯對象實現了系統所需要的業務邏輯方法；MVC即Model-View-Controller，即把一個應用的輸入、處理、輸出流程按照Model、View、Controller的方式進行分離，這樣一個應用被分成三個層——模型層、視圖層、控制層，如圖9所示。

本系統主要是解決數據查詢、數據顯示，實現人機交互，進行數據分析、決策。為了解決這些復雜的問題，在處理數據顯示方面，利用JOSN的跨平臺性和JavaScript交互將數據封裝為JOSN，通過JavaScript在瀏覽器進行畫圖顯示，大大的提升了系統的性能和穩定性。在數據分析決策方面，利用Java與Matlab的公共包，通過Matlab編程后打包為jar包，實現Java調用Matlab，Java通過編程將各項數據參數傳遞給Matlab，Matlab在計算后將圖形處理結果返回給J2EE系統，J2EE系統的視圖層負責將結果展示給用戶，如圖10所示。使用Matlab強大的工程和數學圖形庫，大大的簡化了開發的復雜度，并且為系統實現更復雜的功能奠定了基礎，并使其具有良好的擴展性，使操作更加便利。

圖9　MVC示意圖Fig.9　Schematic diagram of Model-View-Controller

圖10　系統結構圖Fig.10　Schematic diagram of system structure

在線監測與評估系統總體界面如圖11所示，包括了“監測系統”、“數據瀏覽”、“數據分析”、“結構仿真”、“綜合評估”等5個菜單，實現的功能分述如下：

（1）監測系統。包含3個子菜單：監測系統介紹、數采配置和儀器標定、日志，通過這些菜單，可以了解已建成的橋梁監測系統的儀器布置情況、地震地質環境、場地條件、施工照片等，還可以遠程對設備進行參數設置與加速度計的標定，日常監控系統狀態等。

（2）數據瀏覽?？梢詾g覽實時的橋梁振動數據，或者任意橋梁、時間、通道的歷史振動數據。

（3）數據分析。實現了多種分析方法的在線分析，包括主成分分析法、小波包能量法、重構相空間法、COC矩陣法和多指標融合分析等。

（4）結構仿真。通過本模塊，可以輸入不同的地震波，實現橋梁的快速建模、模態顯示以及地震響應分析等。

（5）綜合評估。根據在線數據分析多指標融合診斷結果，評估結構的安全狀況；根據設定地震作用下結構地震響應的仿真結果，預測結構的薄弱環節。

圖11　系統界面圖Fig.11　System interface figure

3　結論

在對大型橋梁強震動在線監測、實時分析和結構仿真深入研究的基礎上，開發了大型橋梁地震安全性在線監測和評估系統，可實現在強震作用、船撞及自然破壞等情況下橋梁的安全性診斷和警報，同時，也可對未來地震環境或設定地震輸入下橋梁的破壞狀態及薄弱部位進行預測，為大型橋梁安全運行提供實時的在線服務。

系統通過自主研發優化的多通道強震動數據采集器及其接口軟件，實現橋梁強震動監測臺陣的數據實時采集、存儲、處理和交互分析；利用多指標融合評估技術，依據多損傷指標的綜合判定結果，對橋梁安全狀況的判斷更加準確可靠；通過快速數值仿真和性能預測系統對橋梁在地震荷載作用下的性能進行快速預測，并對可能的損傷狀況進行預判，及時發現大橋的薄弱環節，并為橋梁改造和加固提供了科學依據。本研究開發的大型橋梁地震安全性在線監測和評估系統，已經使強震觀測臺陣技術系統實現質的飛躍，但還存在一些有待完善的問題，如：融合指標評估方法的實時性還不夠高，利用強震監測數據進行結構參數反分析及有限元模型修正還需要作深入的研究。

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Study on Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges

Jiang Hui1，2，3），Wang Lixin1，2，3），Yan Kun1，2，3），Zhao Xianren1，2，3），Ma Hongwei4），Ding Hua5）and Nie Zhenhua4）
1）Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
2）Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Guangzhou 510070，China
4）Jinan University，Guangzhou 510632，China
5）Institute of Industry Technology，Guangzhou&Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 511458，China

Online monitoring and evaluation system of seismic safety for long-span bridge includes four aspects of technology:（1）Real-time monitoring technology of strong motion observation array based on B/S architecture；（2）Bridge health diagnostic method based on multi-index information fusion technology；（3）Fast numerical simulation technology and seismic performance evaluation method for bridge structures；（4）Bridge monitoring and evaluation systems integration and visualization system.The system enables integrate real-time collection，transmission，analysis，diagnostics，simulation and evaluation of bridge monitoring data.Differences of dynamic characteristics under initial or good conditions are analyzed and diagnosed continuously，and it can provide references for bridge maintenance and reinforcement.When the bridge suffers vessels impact or earthquakes，security status for the bridge is assessed rapidly and the structural abnormalities are alerted.And the intensity information is also provided after the destruction event.

Long-span bridges；Seismic safety；Health diagnosis；Fast numerical simulation；Online monitoring and evaluation system

廣東省重大科技專項項目（2012A080102008）

2015-09-21

姜慧，男，生于1964年。博士，研究員。主要從事地震工程與結構抗震方面的研究。E-mail：jianghui@cea-igp.ac.cn