滬通長江大橋數(shù)字化運維系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)

張貴忠，趙維剛，張 浩

(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心, 山東 濟南 250061; 2. 滬通長江大橋建設(shè)指揮部, 江蘇 南通 226000;3. 石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所, 河北 石家莊 050043;4. 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實驗室, 河北 石家莊 050043)

大跨橋梁的設(shè)計壽命通常上百年，在壽命期內(nèi)，不可避免的會產(chǎn)生各類缺陷或病害，以至結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞甚至倒塌，如何保障橋梁的安全性、適用性以及耐久性已成為巨大挑戰(zhàn)。目前，我國鐵路系統(tǒng)建立了集“管、檢、養(yǎng)、修”于一身的運營維護管理體制，既有體制一方面在加強線路養(yǎng)護維修、保持基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定和維持相對良好的運輸安全狀況方面發(fā)揮了巨大作用，另一方面也帶來了養(yǎng)修管理機構(gòu)龐大、檢測技術(shù)落后且效率低下、養(yǎng)護維修技術(shù)水平低、投入產(chǎn)出比低等弊端，根據(jù)調(diào)研情況看，當前我國大跨鐵路(公鐵兩用)橋梁運營維護工作普遍存在以下突出問題[1-3]：(1)管養(yǎng)理念滯后，采用周期性檢查和 “狀態(tài)修”方式，病害檢修不及時、不全面；(2)線路行車密度大，“天窗點”內(nèi)的養(yǎng)修作業(yè)時間嚴重不足；(3)日常維護采用“檢、養(yǎng)、修分離”的模式，效率低、響應(yīng)慢；(4)橋梁檢查、檢測、維修的技術(shù)及設(shè)備落后且現(xiàn)代檢修裝備配備嚴重不足；(5)養(yǎng)修工區(qū)人員嚴重不足，尤其是掌握現(xiàn)代檢修技術(shù)的人員奇缺；(6)近年來建設(shè)的橋梁附屬檢修通道不完善或不合理；(7) 缺少針對性的大跨鐵路橋梁檢測、監(jiān)測及養(yǎng)修技術(shù)規(guī)范。現(xiàn)行管理制度已不適應(yīng)大型鐵路橋梁現(xiàn)代化、信息化、智能化運營管理的要求。

針對大跨橋梁養(yǎng)護管理中存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)研究[4-8]，世界各發(fā)達國家大多開發(fā)出以檢測與管理智能化為目標的橋梁管理系統(tǒng)(Bridge Management System)并在工程實際中廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了對橋梁建設(shè)、運營養(yǎng)護、維修加固、狀態(tài)評價及養(yǎng)修決策的系統(tǒng)化管理。我國交通運輸部于1986年開始著手“橋梁管理系統(tǒng)”的研究與開發(fā)。隨著20世紀80年代以來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者在橋梁養(yǎng)護管理研究方面都注重結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，從壽命周期成本等角度力求優(yōu)化橋梁的養(yǎng)護決策。以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為基礎(chǔ)，通過智能感知、數(shù)據(jù)融合、協(xié)調(diào)共享和運營來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)智能化，進而提高其管養(yǎng)效率。

然而，目前大跨鐵路橋梁仍然存在重建輕養(yǎng)、施工期與運營期之間信息不通暢、橋梁生命周期的各主要工作階段數(shù)據(jù)難以重復(fù)利用、不同系統(tǒng)之間更是缺乏數(shù)據(jù)互用性等突出問題，數(shù)據(jù)共享缺乏統(tǒng)一標淮進一步加劇了這一問題。在總結(jié)我國既有特大型橋梁養(yǎng)護維修的工作經(jīng)驗以及對橋梁管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測系統(tǒng)深入認識的基礎(chǔ)上，人們認識到，必須建立日常養(yǎng)護、定期檢測和健康監(jiān)測“三位一體”的橋梁養(yǎng)護管理體系，才可使橋梁運營期的養(yǎng)護管理工作更具計劃性、科學(xué)性、規(guī)范性。在此背景下，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，搭建的行業(yè)性、區(qū)域性大橋智慧運維平臺，提升養(yǎng)修技術(shù)水平、掌控橋梁的使用狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)安全，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生是極其必要和迫切的。從長遠看，橋梁的管理養(yǎng)護將會形成由點到線、由線到片的發(fā)展趨勢，建立智慧運維平臺也將極大地提高管養(yǎng)工作的規(guī)模和效益，實現(xiàn)不同功能業(yè)務(wù)之間的重用共享，是管養(yǎng)工作實現(xiàn)數(shù)字化、標準化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的依托和保障，對健全大跨橋梁的運營安全保障體系意義重大[9-10]。為提升滬通長江大橋運營管理的技術(shù)水平，通過充分調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)管理經(jīng)驗和成果，在現(xiàn)代化運營維護管理方案研究基礎(chǔ)上，結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)及運營特點，提出集多源信息獲取及管理、結(jié)構(gòu)智能分析與狀態(tài)評估、智能養(yǎng)修管理等功能于一身的大橋智慧運維平臺，為科學(xué)、安全、高效管理大橋運營提供技術(shù)支撐。

1 大型鐵路橋梁現(xiàn)代化運維與管養(yǎng)需求

1.1 多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與處理[8-12]

從信息的角度出發(fā)，橋梁管理、養(yǎng)護工作可以看成一個從數(shù)據(jù)采集到應(yīng)用的過程，應(yīng)該盡可能全地獲取橋梁全壽命周期的數(shù)據(jù)，包括橋梁規(guī)劃、設(shè)計階段信息；結(jié)構(gòu)數(shù)值模型及計算分析數(shù)據(jù)；施工監(jiān)控及施工記錄；日常人工巡檢、橋梁定期檢測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價；橋梁環(huán)境及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)；交通信息、災(zāi)害、事故信息及GIS系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)。大型橋梁管養(yǎng)數(shù)據(jù)的類型不斷豐富，日益呈現(xiàn)出明顯的異構(gòu)和大數(shù)據(jù)特性，為充分利用數(shù)據(jù)價值，現(xiàn)代化橋梁養(yǎng)修管理系統(tǒng)必須具備實現(xiàn)海量多源異構(gòu)信息存儲和處理，數(shù)據(jù)特征挖掘、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，智能分析等方面需求的技術(shù)水平。

1.2 結(jié)構(gòu)狀態(tài)實時快捷評定及信息適時推送

交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生的損傷、災(zāi)害、事故在時間、空間上的隨機性，及其發(fā)生后的重大經(jīng)濟損失和惡劣社會影響，要求現(xiàn)代化橋梁管養(yǎng)平臺在結(jié)構(gòu)日常運營、災(zāi)后及特殊事件后應(yīng)該具備實時在線的結(jié)構(gòu)狀態(tài)智能診斷和快速評定的能力，在此基礎(chǔ)上才能采取相應(yīng)養(yǎng)修計劃或管控措施，實現(xiàn)科學(xué)、快捷響應(yīng)。

而且，針對結(jié)構(gòu)所處不同特定狀態(tài)，系統(tǒng)平臺自主面向不同職能、權(quán)限以及需求的對象群體，適時向?qū)ο蟮牟煌蛻舳税l(fā)送其權(quán)限范圍內(nèi)的合理信息，幫助相關(guān)人員各司其職，及時做出合理處置，可有效減小乃至避免重大損失。

1.3 數(shù)據(jù)可靠保證[13]

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息是后續(xù)所有工作的基礎(chǔ)，失真的數(shù)據(jù)將會導(dǎo)致后續(xù)所有的工作和流程失去意義，數(shù)據(jù)可靠性保證包含兩方面需求：一方面是數(shù)據(jù)從感知、傳輸、存儲到處理完整性保障，盡可能保障數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)生命期內(nèi)信息的準確和完整；另一方面是互聯(lián)網(wǎng)時代的數(shù)據(jù)信息安全保證，避免惡意侵入、刪改和毀壞數(shù)據(jù)信息。

2 橋梁運維平臺功能設(shè)計及框架 [14]

隨著 “大智移云”(大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)及云計算)、物聯(lián)網(wǎng)及BIM(Building Information Modeling) 為代表的新信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)土木行業(yè)正經(jīng)歷向智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息革命。在此背景下，依托現(xiàn)代信息技術(shù)，搭建橋梁數(shù)字化運維管理平臺逐漸成為可能。

2.1 運維平臺主要功能

從大的功能實現(xiàn)看，平臺可分為3大主要功能模塊，見圖1。

圖1 平臺的功能模塊劃分

2.1.1 多源、立體信息獲取、管理模塊

該模塊由BIM建設(shè)管理子系統(tǒng)、橋梁長期監(jiān)測子系統(tǒng)、交通監(jiān)測子系統(tǒng)、電子化巡檢子系統(tǒng)、多源信息接入與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)共同組成，主要完成平臺信息的收集與管理功能。

(1) 結(jié)構(gòu)監(jiān)測子系統(tǒng)[15]

結(jié)構(gòu)監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)合大橋結(jié)構(gòu)和運營特點,合理選擇監(jiān)測內(nèi)容和布置監(jiān)測測點，通過一定的采集和傳輸策略，自動獲取結(jié)構(gòu)作用及響應(yīng)數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備對采集到的數(shù)據(jù)作進一步處理，為安全報警與狀態(tài)評估子系統(tǒng)提供分析數(shù)據(jù)，并有選擇、有層次地存儲于數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。

(2) 交通監(jiān)測子系統(tǒng)

交通監(jiān)測子系統(tǒng)覆蓋范圍為鐵路列車信息監(jiān)測和橋區(qū)行車狀況的視頻監(jiān)測。實現(xiàn)交通安全監(jiān)控，分析交通狀況，統(tǒng)計交通流量，由列車信息監(jiān)測模塊、視頻監(jiān)測組成。

列車信息監(jiān)測：該模塊包含列車車號識別、行車速度監(jiān)測，全面監(jiān)測列車過橋時脫軌系數(shù)、減載率、列車型號和車速，從而分析列車過橋?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

視頻監(jiān)測：視頻監(jiān)測主要針對人工難于到達的重要部位表觀病害監(jiān)測、梁端列車行車狀態(tài)及溫調(diào)器工作性能監(jiān)測、航道監(jiān)控。

(3) 電子化巡檢子系統(tǒng)

實現(xiàn)巡檢信息化與智能化，巡檢與檢查人員可以手持巡檢終端，進行現(xiàn)場拍照、數(shù)據(jù)錄入等操作，在現(xiàn)場或養(yǎng)護中心將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，管理人員在養(yǎng)護中心或通過遠程網(wǎng)絡(luò)查看數(shù)據(jù)，掌握橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的技術(shù)狀態(tài)，匯集和完善其技術(shù)及管理資料，為日常養(yǎng)護維修和大中修計劃提供依據(jù)和支撐。在維修養(yǎng)護實施過程中做好維修日志，并每年將橋梁觀測、養(yǎng)護資料報送主管部門，為橋梁運營安全評估提供依據(jù)。

(4) BIM建設(shè)管理子系統(tǒng)

采用專業(yè)軟件對滬通長江大橋進行全橋建模，以BIM 模型為信息載體，主要提供橋梁設(shè)計、建設(shè)階段的GIS、基礎(chǔ)信息、3D 電子施工日志、可視化交底、進度管理、報表中心、施工監(jiān)控、安全質(zhì)量管理等信息。

(5) 多源信息接入與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要管理系統(tǒng)運營后的所有動靜態(tài)數(shù)據(jù)(包括前期大橋的設(shè)計資料、 施工期資料、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警評估數(shù)據(jù)、橋梁加固、養(yǎng)修信息、系統(tǒng)管理信息)，并接入災(zāi)害、氣候、交通、物流等方面數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲。建立大橋管理系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)存儲倉庫，向后續(xù)模塊提供有效的信息源。

2.1.2 橋梁智能分析與評估模塊[16-17]

該模塊主要對上一模塊提供的數(shù)據(jù)資源進行有效分析、挖掘與利用，重點實現(xiàn)以下功能：

(1) 海量數(shù)據(jù)處理與挖掘

實現(xiàn)對數(shù)據(jù)清洗、提純、存儲、管理、挖掘等功能。依托海量數(shù)據(jù)的融合與分析，能夠?qū)ψ詣踊O(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、對比分析、趨勢分析和相關(guān)性分析，將海量數(shù)據(jù)信息化、知識化，輸出友好、可視、客觀、智能的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為管養(yǎng)決策提供準確的依據(jù)和支持。

(2) 結(jié)構(gòu)性能演變分析與評價[11]

針對選定的評價對象或評價內(nèi)容，根據(jù)設(shè)定的評價指標體系及評價標準把當前需要重點控制的結(jié)構(gòu)性能和歷史狀態(tài)對比的分析結(jié)果在系統(tǒng)中進行全面的展現(xiàn)。方便管養(yǎng)人員或?qū)＜覍蛄航Y(jié)構(gòu)的性能演變進行查詢、統(tǒng)計和評價。

(3) 安全報警與狀態(tài)評估[18]

主要實現(xiàn)以下功能：①利用各類監(jiān)(檢)測數(shù)據(jù)對橋梁基準數(shù)據(jù)進行修正，建立系統(tǒng)運行時的基準數(shù)據(jù)庫，用于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和高速列車橋梁行車安全狀態(tài)評定。②提出明確的報警指標及分級報警體系，通過設(shè)置明確的閾值，對實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)信號進行判斷和分級報警。③能夠綜合各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進行識別和診斷, 并對結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)和行車安全進行總體評價。④根據(jù)預(yù)警、評估結(jié)果，提出針對性管養(yǎng)措施。

(4) 風(fēng)險管理及預(yù)警[7]

針對大橋運營期間可能發(fā)生的各種風(fēng)險事態(tài)和緊急事故，全面分析、評估其對大橋運營管養(yǎng)、人員傷亡、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、行車安全的影響；研究制定相應(yīng)的管理策略、應(yīng)急預(yù)案及養(yǎng)護要點；降低風(fēng)險事態(tài)管理措施引發(fā)的次生災(zāi)害，提高大橋運營安全保證程度、降低壽命周期管養(yǎng)成本。

2.1.3 橋梁養(yǎng)修管理模塊[4]

在現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范及養(yǎng)修管理體系框架下，依托數(shù)字化運維平臺，在實現(xiàn)現(xiàn)有常規(guī)養(yǎng)護措施及養(yǎng)修方式基礎(chǔ)上，還可進一步實現(xiàn)以下功能：

(1) 管養(yǎng)計劃制定及橋梁快速修復(fù)

將性能評估結(jié)果、風(fēng)險預(yù)警數(shù)據(jù)、交通流特性、材料物流管理數(shù)據(jù)、人力資源數(shù)據(jù)、天氣情況、修復(fù)工序等信息進行綜合分析，在滿足橋梁快速修復(fù)和更換的相關(guān)技術(shù)需求基礎(chǔ)上，智能生成合理的人員、設(shè)備、物資養(yǎng)修實施計劃，通過移動網(wǎng)絡(luò)給相關(guān)參與人員發(fā)布任務(wù)安排和任務(wù)提醒，實現(xiàn)資源最省、效率最高、影響最小的橋梁維護加固。

(2) 管養(yǎng)措施的經(jīng)濟模型

通過長期的數(shù)據(jù)積累，建立起常見管養(yǎng)措施的經(jīng)濟模型，對投入產(chǎn)出效益進行分析，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)健康長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取結(jié)構(gòu)長期性能演變規(guī)律與壽命預(yù)測，逐步建立健全橋梁生命周期內(nèi)的養(yǎng)護維修策略，并建立橋梁養(yǎng)護維修決策模型。

(3) 應(yīng)急管控

在大數(shù)據(jù)背景下，應(yīng)急管控將變得更加智能、更注重時效性，比如可根據(jù)以往極端天氣橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)、災(zāi)害數(shù)據(jù)檔案，利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)鎖定極端天氣，實時對橋梁多尺度數(shù)值模型以及列車行車安全等情況進行后臺并行驗算，做出災(zāi)害等級評價和對結(jié)構(gòu)性能影響評價，自動輸出預(yù)控決策并分發(fā)到不同用戶端，提醒工作人員開展安全維護工作。

(4) 行車安全及信息推送

大數(shù)據(jù)背景下，通過建立個人或車輛的數(shù)據(jù)庫，挖掘出該車輛或駕駛員的行車習(xí)慣和個人偏好，再結(jié)合橋面交通事故數(shù)據(jù)、天氣環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)布更加個性化的交通提示或安全預(yù)警，讓管養(yǎng)平臺為個人也能提供定制服務(wù)。

(5) 養(yǎng)修跟蹤

應(yīng)實現(xiàn)對設(shè)備日常檢查計劃、故障搶修計劃、大中維修計劃的實施進行跟蹤管理，對維修所需的人力、財力、物力進行資源安排，實現(xiàn)對維修實施情況和維修質(zhì)量評價的查詢、統(tǒng)計；實現(xiàn)各級工作人員實時查看維修計劃安排及完成情況。

2.2 平臺物理架構(gòu)及層次[14]

為保證上述功能模塊的實現(xiàn)，運維平臺的物理架構(gòu)見圖2。

總體架構(gòu)在我國現(xiàn)有法規(guī)、規(guī)范框架下搭建，依托現(xiàn)代信息技術(shù)和管養(yǎng)體系，從物理關(guān)系上而言可分為感知和網(wǎng)絡(luò)層、云平臺和數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、管養(yǎng)應(yīng)用層和用戶訪問層等層面。

各平臺間協(xié)同工作框架系統(tǒng)各功能模塊間數(shù)據(jù)融合途徑和協(xié)同工作框架見圖3。圖3中：綠色箭頭連接部分表示共用；藍色箭頭表示數(shù)據(jù)單向流動；紅色箭頭表示數(shù)據(jù)輸出與反饋雙向流動。

圖2 橋梁運維平臺物理架構(gòu)

3 滬通長江大橋運維系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

3.1 工程背景

滬通長江大橋是滬通鐵路的控制性工程，橋位位于錫通公路過江通道處，上距江陰長江公路大橋約 45 km，下距蘇通長江公路大橋約 40 km。滬通長江大橋與公路共通道建設(shè)，上層設(shè)計速度為100 km/h雙向六車道高速公路，下層設(shè)計速度為200 km/h的雙線滬通鐵路線和設(shè)計速度為250 km/h雙線客運專線。滬通長江大橋主要包括一座(140+462+1 092+462+140) m 的兩塔五跨斜拉主航道橋、一座(140+336+140) m 剛性梁柔性拱專用航道橋以及多跨簡支鋼桁梁橋。

圖3 各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)融合途徑與協(xié)同工作框架

3.2 BIM建設(shè)管理子系統(tǒng)[19-20]

滬通長江大橋設(shè)計和建設(shè)期的相關(guān)數(shù)據(jù)通過BIM建設(shè)管理子系統(tǒng)接入，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，通過采用桌面虛擬云方式，可向任何地點、任何設(shè)備的任何用戶交付。BIM管理子系統(tǒng)依托TEKLA軟件，以施工圖和施工組織設(shè)計為依據(jù)，建立了主航道橋、專用航道橋、簡支鋼桁梁、南北引橋的施工BIM模型，以該模型為信息載體，建立多維度項目管理系統(tǒng)，子系統(tǒng)有7大基本功能模塊: GIS 模塊、基礎(chǔ)應(yīng)用、可視化交底、進度管理、施工監(jiān)控、安全質(zhì)量、施工日志和報表中心，見圖4。

圖4 滬通長江大橋BIM建設(shè)管理子系統(tǒng)功能模塊

3.3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測子系統(tǒng)[21-22]

3.3.1 結(jié)構(gòu)仿真計算

根據(jù)橋梁實際結(jié)構(gòu)特點，利用空間有限元軟件MIDAS 分別對主航道橋與天生港專用航道橋進行計算。其中，主航道橋計算模型見圖5。

圖5 滬通長江大橋主航道橋計算模型

考慮的荷載組合如下：①恒載+汽車+火車+支座沉降；②恒載+汽車+火車+支座沉降+制動力+縱向風(fēng)(25 m/s)+組合溫度；③恒載+汽車+火車+支座沉降+搖擺力+橫向風(fēng)(25 m/s)+組合溫度；④恒載+極限縱風(fēng)+支座沉降；⑤恒載+極限橫風(fēng)+支座沉降。

(1) 靜力計算結(jié)果

① 位移計算結(jié)果

主梁剛度指標見表1，主梁各墩頂處水平位移見表 2。

表1 豎向位移及轉(zhuǎn)角

表2 主梁縱向水平位移 mm

注：“+”表示主梁向中跨中心方向移動。

② 內(nèi)力計算結(jié)果

主力組合作用下，主梁各桿件控制內(nèi)力見表3，主力工況、主力+附加力組合作用下，主塔各控制點應(yīng)力見表4。

表3 主梁控制內(nèi)力

表4 塔身應(yīng)力 MPa

(2) 動力分析結(jié)果

主航道橋成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動力特性見表5。

專用航道橋計算分析過程類似，在此不贅述。

同時，分析在CRH2、CRH3和C80列車作用下不考慮風(fēng)荷載作用時的車-線-橋耦合動力仿真，評價橋梁的動力性能和列車的行車安全性，同時也為考慮風(fēng)荷載作用工況提供對比值。單線 CRH2、CRH3、C80列車作用下主航道橋主桁各跨跨中的動力響應(yīng)見表6，包括橋梁主桁下弦節(jié)點的橫向位移、豎向位移、橫向加速度以及豎向加速度，僅統(tǒng)計三片主桁動力響應(yīng)較大者。單線列車作用下主航道橋車輛的動力響應(yīng)值見表7。

表5 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性

表6 列車作用下主航道橋各跨跨中的動力響應(yīng)

仿真分析表明：當不考慮風(fēng)荷載作用，CRH2 動車組以車速150～250 km/h，CRH3動車組以車速 200～300 km/h，C80貨車以 100～120 km/h運行時，橋梁的動力性能均滿足要求，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)，保證了列車的行車安全，乘坐舒適性(或平穩(wěn)性)均達到優(yōu)良及良好。

表7 列車作用下車輛動力響應(yīng)值

3.3.2 測點布置

主要根據(jù)對主航道橋與天生港專用航道橋的計算分析結(jié)果以及所處環(huán)境對滬通長江大橋進行監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容包括：(1)橋址環(huán)境監(jiān)測，包括風(fēng)、溫濕度、水文、雨量監(jiān)測；(2)外部作用監(jiān)測，包括地震及船撞響應(yīng)、列車及汽車信息、行車狀況及航道視頻監(jiān)測；(3) 結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測，包括結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)及變形、基礎(chǔ)變位、塔梁受力、梁塔振動、斜拉索索力、動應(yīng)力監(jiān)測；(4)特殊部位監(jiān)測，包括軌道伸縮裝置、支座及阻尼器監(jiān)測。主航道橋和專用航道橋測點布置見圖6。

3.3.3 預(yù)警

根據(jù)多層次的理論分析計算結(jié)果，設(shè)定了以下主要預(yù)警閾值見表8。

圖6 滬通長江大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)測點總體布置(單位:m)

序號監(jiān)測項目預(yù)警閾值設(shè)定通常值安全限值報警方式1風(fēng)速風(fēng)向—設(shè)定風(fēng)速v為預(yù)警值。v<20km/h(9級)正常運行;20km/h≤v≤25km/h(10級)列車限速200km/h以下;25km/h≤v≤30km/h(11級)列車限速120km/h以下;v>30km/h(11級以上)停運當多臺風(fēng)速風(fēng)向儀,在同一時段出現(xiàn)風(fēng)速超限值時進行報警2溫濕度統(tǒng)計日平均濕度>60%的天數(shù)—連續(xù)10d構(gòu)件局部日平均濕度大于60%進行報警3地震船撞—地震儀監(jiān)測到地震或船舶撞擊單個地震儀監(jiān)測到振動沖擊時通過視頻確定進行船撞報警,多臺同時監(jiān)測到振動沖擊時進行地震報警4鋼應(yīng)變分工況統(tǒng)計列車過橋時各測點應(yīng)力幅值通常值σ1=σ±3Δσ設(shè)計時理論計算的應(yīng)力包絡(luò)值σ2實測應(yīng)力幅值在同一工況下連續(xù)6次超通常限值σ1進行報警5加速度分工況統(tǒng)計列車過橋時各測點加速度峰值通常值a1=a±3Δa規(guī)范規(guī)定的橫向、豎向加速度限值a2實測加速度峰值在同一工況下連續(xù)6次超通常限值a1進行報警6振幅分工況統(tǒng)計列車過橋時各測點振幅峰值通常值A(chǔ)1=A±3ΔA規(guī)范規(guī)定的橫向、豎向振幅限值A(chǔ)2實測振幅峰值在同一工況下連續(xù)6次超通常限值A(chǔ)1進行報警7振動特性統(tǒng)計橋梁振動頻率通常值f—當時實測振動頻率變化超過通常值的10%進行報警8空間變形統(tǒng)計空間變形的時變規(guī)律及與環(huán)境的相關(guān)性設(shè)計允許塔偏d1、跨中豎向d2、橫向d3變形根據(jù)統(tǒng)計的時變規(guī)律和與環(huán)境的相關(guān)性預(yù)測空間變形的發(fā)展9主梁撓度統(tǒng)計主梁撓度的時變規(guī)律及與環(huán)境的相關(guān)性列車行車安全允許的撓度限值d4根據(jù)統(tǒng)計的時變規(guī)律和與環(huán)境的相關(guān)性預(yù)測主梁撓度的發(fā)展10梁端傾角分工況統(tǒng)計列車過橋時梁端轉(zhuǎn)角變化幅值通常值r1=r±3Δr行車允許的最大梁端轉(zhuǎn)角r2實測轉(zhuǎn)角峰值在同一工況下連續(xù)6次超通常限值r1進行報警11支座位移支座自身滑移總量s1,統(tǒng)計支座位移與溫度相關(guān)性的斜率通常值k1—統(tǒng)計支座位移總量大于s1進行報警提示、支座位移與溫度相關(guān)性的斜率偏離通常值的10%進行報警12拉索索力統(tǒng)計拉索在夜間天窗時間的拉索索力通常值N1拉索允許索力N2=拉索極限承載力/安全系數(shù)實測索力偏離索力通常值的10%進行報警

3.4 電子化巡檢子系統(tǒng)[22]

該子系統(tǒng)包含巡檢設(shè)備、巡檢管理軟件。

(1) 巡檢設(shè)備。以智能終端為核心，輔助點溫計與激光測距儀，在智能終端開發(fā)軟件，使其實現(xiàn)任務(wù)提醒、病害錄入、拍照、數(shù)據(jù)上傳與資料查詢等功能，代替紙質(zhì)記錄，避免巡檢人員現(xiàn)場錄入數(shù)據(jù)后事后再重復(fù)錄入電腦，簡化流程，同時也解決了照片、病害對應(yīng)不方便等問題。

(2) 巡檢管理軟件。這是一套基于智能終端的軟件，巡檢或檢查人員使用終端發(fā)現(xiàn)病害時可以及時錄入病害至智能終端中，系統(tǒng)提供病害庫、病害等級、參考圖片以及養(yǎng)護措施建議等輔助用戶選擇錄入，在錄入病害的同時用戶可以拍照、錄像等，所有錄入的數(shù)據(jù)暫存在智能終端中，智能終端功能要求見圖7，巡檢人員返回辦公室后通過網(wǎng)絡(luò)直接將巡檢結(jié)果上傳至服務(wù)器。

圖7 智能終端功能組成

(3) 巡檢數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)主要包括兩部分：第一部分為橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，主要包括橋梁基本狀況卡片、設(shè)計資料、竣工試驗、養(yǎng)護記錄、特殊事件、橋上事件、結(jié)構(gòu)信息、管理資料、檢查資料、養(yǎng)護維修資料、特殊情況資料、橋梁構(gòu)件信息、相關(guān)單位信息等；第二部分為巡檢數(shù)據(jù)管理，是大量設(shè)計、施工、檢查、養(yǎng)護、維修、評估數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，并通過橋梁養(yǎng)護管理人員對橋梁定期、全面的檢查而采集到的數(shù)據(jù)并不斷的加以積累。本子系統(tǒng)綜合分析以上數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，評價決策模塊能讓管理人員清晰直觀的掌握橋梁技術(shù)狀況、承載能力等，并為管理和決策人員作相應(yīng)的決策提供依據(jù)，并定期生成自動報表。軟件界面見圖8。

圖8 巡檢養(yǎng)護管理系統(tǒng)界面

3.5 視覺檢測子系統(tǒng)

為實現(xiàn)滬通長江大橋的自動化維養(yǎng)作業(yè)，設(shè)計一種高效智能的視覺檢修平臺。該檢修平臺主要由五部分構(gòu)成：機械動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以及中央控制系統(tǒng)等，見圖9。

圖9 自動化橋梁檢修平臺框圖

(1) 機械動力系統(tǒng)，具體指橋梁移動檢修平臺，采用上、下弦檢修平臺，直接與橋梁作業(yè)對象接觸。該系統(tǒng)一方面搭載新型鋰電池，為整個系統(tǒng)提供電力驅(qū)動。另一方面，主要用于接收中央控制系統(tǒng)的命令，實現(xiàn)作業(yè)平臺的檢修路線管理。

(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過搭載各種視覺傳感器，例如：可見光相機、紅外相機、高速攝像儀等，獲取橋梁整個框架結(jié)構(gòu)的表觀特征信息。除了視頻采集外，檢修平臺同時會搭載一些輔助傳感器，例如風(fēng)向、溫濕度傳感器等，獲取整個系統(tǒng)的運行工作狀態(tài)。

(3) 圖像處理系統(tǒng)，是視覺檢修平臺的核心之一。該部分通過完成圖像信息預(yù)處理(去噪、增強等)、作業(yè)結(jié)構(gòu)區(qū)域檢測、表觀狀態(tài)特征提取、病害區(qū)域探測識別等流程，完成對橋梁表觀狀態(tài)的智能化處理。

(4) 導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為實現(xiàn)整個橋梁安全監(jiān)視系統(tǒng)的全信息管理，首先需要借助導(dǎo)航定位系統(tǒng)，完成作業(yè)平臺的軌跡管理，為最終建立大橋的信息化管養(yǎng)系統(tǒng)建立基礎(chǔ)。

(5) 中央控制系統(tǒng)，是整個視覺檢測平臺的核心，它通過機械動力系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取滬通長江大橋固定區(qū)域的結(jié)構(gòu)表觀數(shù)據(jù)。并利用圖像處理系統(tǒng)中的一系列高性能圖像處理算法，提取病害可疑區(qū)域，建立結(jié)構(gòu)缺陷檔案。

4 結(jié)論

(1) 當前，如何利用數(shù)字信息技術(shù)，提高維護效率，提升管養(yǎng)工作層次，已成為大型橋梁管養(yǎng)的方向。現(xiàn)階段橋梁行業(yè)中各類數(shù)字化橋梁管理系統(tǒng)逐步研發(fā)與應(yīng)用，但大型橋梁數(shù)字化運維平臺尚未有研發(fā)與應(yīng)用先例。

(2) 構(gòu)建集大橋BIM建設(shè)管理、移動互聯(lián)人工巡檢、無損檢測、荷載試驗、在線監(jiān)測、結(jié)構(gòu)運維管養(yǎng)、突發(fā)事故、氣候與地質(zhì)災(zāi)害、交通等全方位信息于一體的數(shù)據(jù)獲取、采集、處理、分析、利用、反饋的數(shù)字化運維平臺，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型、接口標準，保證不同系統(tǒng)間互聯(lián)互通，未來可進一步形成全國性大跨鐵路橋梁信息資源庫，可最大限度地利用和發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值，形成資源共享，為協(xié)同分析決策奠定基礎(chǔ)。

(3) 橋梁的管養(yǎng)工作必然朝著網(wǎng)絡(luò)化、標準化、時效化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)變，搭建數(shù)字化橋梁運維平臺，將現(xiàn)代信息技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)技術(shù))與大跨橋梁在狀態(tài)監(jiān)測、性能評估、風(fēng)險預(yù)警、養(yǎng)修決策等層面相融合，將催生大跨橋梁運營管理與維護技術(shù)和體系的變革，為橋梁結(jié)構(gòu)的精準養(yǎng)修和先進維護打下堅實基礎(chǔ)。