大跨度軌道懸索橋健康監(jiān)測問題思考與對策

吳韜　漆勇

摘要：大跨度軌道懸索橋整體剛度相對較弱，在列車荷載作用下，結(jié)構(gòu)變形大，動(dòng)力響應(yīng)明顯，實(shí)施健康監(jiān)測時(shí)，在動(dòng)力特性監(jiān)測、結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息獲取、與人工檢測的融合和結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估等方面存在一定的挑戰(zhàn)，基于此，提出適應(yīng)性解決策略，并闡述大跨度軌道橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展的前景：新型傳感設(shè)備研發(fā)、海量信息有效處理、無線通訊技術(shù)發(fā)展和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

關(guān)鍵詞：懸索橋；健康監(jiān)測；動(dòng)力特性；評(píng)估

一、引言

隨著城市軌道交通[1]建設(shè)步伐的加快，軌道橋梁的建設(shè)取得了矚目的成績：從1960年加拿大魁北克建成的世界上第一座軌道斜拉橋——North Romaine River Railroad Bridge，跨度為61m；到2011年中國建成的世界最長跨度單軌橋——重慶市軌道交通三號(hào)線一期工程嘉陵江特大橋；再到中國正在建設(shè)的世界最大跨度雙塔雙索面自錨式懸索橋——重慶軌道環(huán)線鵝公巖軌道專用橋。然而，作為大跨度軌道懸索橋，具有整體剛度相對較弱、列車荷載激勵(lì)強(qiáng)烈、結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯的特點(diǎn)，加之，在運(yùn)營期內(nèi)，受材料老化、疲勞荷載反復(fù)作用、復(fù)雜環(huán)境等因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)損傷或者存在一定安全隱患。

另一方面，通信網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，加速了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。工程實(shí)踐表明，健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷與質(zhì)量退化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)定性、定位和定量分析，可以為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)提供客觀依據(jù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

因此，利用健康監(jiān)測系統(tǒng)對大跨度軌道懸索橋進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并作出安全性評(píng)估，愈顯重要。

二、健康監(jiān)測內(nèi)容與系統(tǒng)架構(gòu)

1.健康監(jiān)測內(nèi)容。橋梁健康監(jiān)測是運(yùn)營期間以結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估為目標(biāo)的長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對大跨度軌道懸索橋，監(jiān)測內(nèi)容如表1。

2.健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)。健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有采集、傳輸、處理、管理、評(píng)估與預(yù)警等功能，為降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，且方便維護(hù)和升級(jí)，一般采用模塊化設(shè)計(jì)。一套完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，由六大子系統(tǒng)組成，如圖1。

（1）傳感器系統(tǒng)：由測試結(jié)構(gòu)物理參數(shù)及其周圍環(huán)境的傳感設(shè)備組成，獲取荷載、環(huán)境與結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于信號(hào)采集、處理、緩存和傳輸。

（3）數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)：用于例行數(shù)據(jù)處理與分析、結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)警及系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控。

（4）評(píng)估系統(tǒng)：用于執(zhí)行原始監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估及診斷與預(yù)測分析。

（5）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：用于存取監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

（6）檢查與維護(hù)系統(tǒng)：用于檢查與維護(hù)傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和顯示設(shè)備等。

三、問題剖析

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展日新月異，成績斐然，但應(yīng)用于大跨度軌道懸索橋中，仍存在一定的挑戰(zhàn)。

（1）列車荷載作用下大跨度軌道懸索橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測。大跨度軌道懸索橋具有輕、柔、窄等特征，由于所受列車荷載作用結(jié)構(gòu)面廣、激振強(qiáng)烈、動(dòng)力響應(yīng)明顯，加之，動(dòng)力特性的演化將直接關(guān)乎結(jié)構(gòu)的安全性，因此，動(dòng)力特性的監(jiān)測難度大，且格外重要。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的全面、準(zhǔn)確獲取。大跨度軌道懸索橋施工階段會(huì)進(jìn)行施工期間監(jiān)測[2]，運(yùn)營階段會(huì)進(jìn)行健康監(jiān)測，但有效實(shí)現(xiàn)兩階段的無縫連接仍是項(xiàng)目的技術(shù)瓶頸，加之，傳感設(shè)備缺陷、信息處理不當(dāng)、服役環(huán)境復(fù)雜等因素，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息難以全面、準(zhǔn)確獲取。

（3）人工檢測與實(shí)時(shí)監(jiān)測的有效融合。傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)主要依賴常規(guī)的人工檢查和專項(xiàng)檢測等手段得到的信息，但在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。同時(shí)，由于健康監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模、傳感器布設(shè)、信息傳遞等方面的限制，僅依靠健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)而對大跨軌道懸索橋進(jìn)行評(píng)估是不完整的，加之，對結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境和列車荷載作用下響應(yīng)的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不足，難以給出準(zhǔn)確有效的預(yù)警模式。

（4）基于健康監(jiān)測信息的在役橋梁安全性評(píng)估理論與技術(shù)。實(shí)用橋梁安全性評(píng)估方法的開發(fā)與應(yīng)用，仍處于基礎(chǔ)性探索階段，是橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展的主要制約因素之一，由于評(píng)估理論和技術(shù)的不完善、軌道懸索橋結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性等因素，致使對橋梁難以施行客觀、有效的評(píng)估。

四、適應(yīng)性解決策略

（1）結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析與動(dòng)力響應(yīng)全面監(jiān)測。軌道列車的快速運(yùn)行，會(huì)誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間振動(dòng)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的前提，因此，針對大跨度軌道懸索橋動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測，可按如下步驟進(jìn)行：

1）采用空間桿系有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，了解結(jié)構(gòu)的頻率分布和振型特點(diǎn)。

2）進(jìn)行車-橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析，確定監(jiān)測參數(shù)與測點(diǎn)布置。對于位移幅值較大的結(jié)構(gòu)，監(jiān)測參數(shù)主要是位移和應(yīng)變，位移測點(diǎn)應(yīng)布置在振動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移變化最顯著且易于穩(wěn)固安裝監(jiān)測傳感器、方便測量的位置，應(yīng)變傳感器則宜先進(jìn)行標(biāo)定。

3）監(jiān)測信息采集與評(píng)估。依據(jù)所采集的動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測信息，通過與理論計(jì)算的對比分析，參照對應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測評(píng)估。

（2）橋梁全壽命監(jiān)測機(jī)制與穩(wěn)定可靠系統(tǒng)。

1）全壽命監(jiān)測機(jī)制。在軌道懸索橋施工階段，通過選用高性能、長壽命預(yù)埋傳感器，最大限度在結(jié)構(gòu)運(yùn)營過程的一定時(shí)期內(nèi)繼續(xù)獲取結(jié)構(gòu)的相關(guān)響應(yīng)信息。同時(shí)，在長期健康監(jiān)測表貼傳感器部署時(shí)，考慮和預(yù)埋傳感器的對應(yīng)關(guān)系，通過表貼與預(yù)埋傳感器的監(jiān)測信息相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋與表貼貫穿橋梁全壽命周期的監(jiān)測機(jī)制。

2）穩(wěn)定可靠系統(tǒng)。

①合理選擇傳感設(shè)備。根據(jù)軌道橋梁特點(diǎn)、列車荷載要求與監(jiān)測環(huán)境，綜合考慮靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精度等因素，按照“效益—費(fèi)用比”最大化原則，選擇穩(wěn)定可靠的傳感設(shè)備。

②增設(shè)組態(tài)控制箱。組態(tài)控制箱主要功能為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，“組態(tài)”是指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，“控制”是指通過計(jì)算機(jī)信號(hào)對自動(dòng)化設(shè)備或過程進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理。

③異常信息分析處理與信息重構(gòu)。采用時(shí)域、頻域、時(shí)頻域分析方法進(jìn)行過濾或去噪處理，實(shí)現(xiàn)粗差、偶然誤差的過濾，利用趨勢曲線法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行失真信息重構(gòu)，以插補(bǔ)、替代、加權(quán)調(diào)整的方式進(jìn)行缺失信息修復(fù)。

（3）人工檢測與實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合模式。通過日常巡查、定期檢查和專項(xiàng)檢查，將人工檢測信息納入實(shí)時(shí)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并將分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)整體安全性評(píng)估的考慮因素，實(shí)現(xiàn)人工檢測與實(shí)時(shí)監(jiān)測的有效融合，保證評(píng)估的客觀性。

（4）多種安全評(píng)估理論與技術(shù)相互補(bǔ)充、驗(yàn)證。現(xiàn)階段，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估的方法主要包括統(tǒng)計(jì)分析、模糊理論、專家系統(tǒng)、層次分析、極限分析、可靠度分析[3]等，實(shí)施大跨度軌道懸索橋評(píng)估時(shí)，應(yīng)綜合使用多種安全評(píng)估理論與技術(shù)，形成相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的模式，按安全一級(jí)評(píng)估和安全二級(jí)評(píng)估[4]的方式進(jìn)行。

五、結(jié)語

（1）橋梁服役期長達(dá)幾十年、甚至上百年，而傳統(tǒng)的傳感設(shè)備壽命相對較短，因此，利用新理論、新效應(yīng)研究開發(fā)可靠、穩(wěn)定、耐久的橋梁監(jiān)測傳感設(shè)備顯得尤為緊迫。

（2）伴隨監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，監(jiān)測信息呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)格式復(fù)雜等趨勢，在實(shí)施必要的過濾或去噪分析、重構(gòu)與修復(fù)時(shí)，應(yīng)以傳感設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)換算與標(biāo)準(zhǔn)化、異常識(shí)別與處理等有效處理過程，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型[5]，按結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和安全評(píng)估所需的輸入格式提供給服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)處理。

（3）無線通訊技術(shù)的發(fā)展，不但可以有效減少信息傳輸線纜的數(shù)量，還可以避免因線纜老化對信號(hào)采集質(zhì)量的影響，對健康監(jiān)測具有重要貢獻(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。

（4）大跨度軌道橋梁建設(shè)速度快、規(guī)模大，但針對健康監(jiān)測項(xiàng)目，仍缺乏相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，因此，建立軌道橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化體系，實(shí)現(xiàn)行業(yè)規(guī)范化，勢在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《城市軌道交通工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50833-2012）[S] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50982-2014）[S] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]中國工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 333：2012）[S] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T 1037-2016）[S] . 北京：人民交通出版社，2016.

[5]李志銳.橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在線結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評(píng)估方法分析[J].工程技術(shù)：文摘版，2016（8）.