大跨度曲線梁鋼拱橋運營期健康監測系統研究及應用

步樂樂，王 曼

（寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

隨著交通事業的蓬勃發展，現代橋梁跨徑越來越大，結構體系越來越復雜、越來越輕柔，橋梁結構的安全性、耐久性和適用性日益引起工程師的關注[1]。及時、準確地掌握大型橋梁的工作性能，開展實施橋梁運營期健康監測意義重大。本文以某大跨度曲線梁鋼拱橋（下文簡稱大橋）工程為例，通過運營期健康監測系統的應用，實現對結構損傷位置和損傷程度的診斷，及對橋梁服役情況進行智能評估，確保大橋在特殊天氣、交通條件下，或遭受撞擊時發出預警信號，為橋梁養護管理的科學決策提供數據及技術支撐。

1 系統總體功能概述

1.1 總體概述

大橋主跨跨度300 m，由曲線鋼主梁、兩條傾斜鋼箱拱肋、傾斜吊桿、肋間平臺及系梁等構件組成。橋型總體布置如圖1所示。

圖1 橋型總體布置

根據大橋的結構及環境特點，本文設計了功能齊備、性能完善、經濟合理的運營期監測系統。該系統主要包括數據采集與傳輸子系統、數據處理與分析子系統、結構安全評估子系統、檢查及維護子系統、檔案管理與用戶支持子系統。大橋運營期健康監測系統組成架構如圖2所示。

大橋運營期健康監測系統通過物聯網、云計算、大數據等現代技術手段[2]獲取橋梁結構的外部環境信息及自身的狀態參數，進而對橋梁結構狀態進行診斷與評估[3-4]，確保管養單位及時、準確地掌握橋梁健康狀況。

圖2 大橋運營期健康監測系統組成架構

1.2 設計原則

大橋運營期健康監測系統遵循以下設計原則：

（1）采用相對成熟的技術進行系統架構設計，確保系統可靠、穩定；

（2）采用模塊化設計，確保各系統的替換性、經濟性，并滿足后續系統迭代升級、功能擴展等需求；

（3）設置適度冗余的傳感器及其他感知設備，確保數據采集的準確性；

（4）將實時在線監測和定期監測相結合，減少數據采集量，降低后臺數據處理難度；

（5）數據處理模塊應滿足功能強大、界面友好、設置合理等要求，以利于提高后期數據分析效率。

2 數據采集與傳輸子系統

大橋運營期健康監測系統能否對橋梁結構的安全狀態做出準確客觀的評估，取決于數據采集及傳輸子系統能否及時獲取真實反映大橋結構狀態的特征信息。該工程數據采集與傳輸子系統由現場數據采集站（感知層）、數據存儲站（存儲層）和信號傳輸網絡（傳輸層）組成。其中，現場數據采集站由多個性能穩定的數據采集模塊組成，以確保系統的可靠性、準確性和耐久性。

2.1 數據采集

系統通過風速儀，傾角儀和應力、應變傳感器等高精度傳感設備采集橋梁的狀態數據，便于提前發現并鎖定損傷位置。數據采集內容主要分為三大類如下：

（1）環境狀況監測

監測內容包括風速、風向、結構溫度場等，以便及時、準確地掌握大橋所處環境的狀況。

（2）橋梁幾何狀態監測

監測內容包括拱肋變位及扭轉、主梁撓度、支座、伸縮縫位移等。

（3）橋梁結構響應監測

監測內容包括拱肋及箱梁應力、吊桿及系桿索力等，以便掌握大橋的實際受力狀態和工作狀況。

2.2 數據傳輸

系統采用專用通信光纜[5]，借助點對點獨立傳輸體系進行數據傳輸，以確保信號傳輸的可靠性[6]。數據采集與傳輸架構如圖3所示。

圖3 數據采集與傳輸架構

3 數據處理與分析子系統

3.1 數據處理

大橋運營期健康監測系統南伸縮縫西側支座全天線性曲線推送的數據量極大，若對所有數據進行分析，將占用大量資源，并且海量數據中無效成分較多，將嚴重影響數據分析算法的執行效率。因此，在對數據進行信息提取前，應提前進行數據清洗、集成、轉換、離散等工作，從而提高數據處理的效率和準確性。

數據處理操作采用基于MATLAB和LabVIEW等平臺開發的專用軟件，運用數學統計和信號分析方法進行時域、頻域的參數識別處理[7-8]。

3.2 數據分析

采用如下方法進行數據分析：

（1）以大橋整體和局部有限元計算結果為基礎，將MATLAB作為數據分析軟件，對比分析結構狀態；

（2）分析單個測點24 h數據的變化規律，北平臺處測點風速時程曲線如圖4所示，主梁全天線形曲線如圖5所示，南伸縮縫西側支座全天線形曲線如圖6所示；

（3）同一類型傳感器不同測點之間的相關性分析，如液位撓度測點上下游測點關系曲線，相鄰液位測點關系曲線等；

圖4 北平臺處測點風速時程曲線

圖5 主梁全天線形曲線

圖6 南伸縮縫西側支座全天線形曲線

（4）不同類型傳感器之間的相關性分析，如磁致伸縮傳感器與數字溫度傳感器數據對比分析等[9]。

4 結構安全評估子系統

結構安全評估子系統作為大橋運營期健康監測系統的結果輸出層，其核心任務是對橋梁整體安全等級進行評定，同時實現對關鍵承重構件健康狀態的分析與研判。

4.1 評估內容

評估內容按性質分為以下三類。

（1）安全性評估

主要針對大橋各重要構件，如主梁、拱肋、吊桿等的承載能力、應力、剛度、穩定性、結構性損傷等進行評估。

（2）耐久性評估

主要針對橋梁各重要構件的耐久性損傷進行評估，如上部鋼構件的銹蝕、應力疲勞損傷、下部混凝土構件裂縫寬度、混凝土碳化深度及保護層損傷、氯離子含量等。

（3）適用性評估

主要針對橋梁的功能性損傷（如主梁線形等）進行評估。因此適用性評估也被稱為功能性評估。

4.2 評估流程

結合大跨度曲線梁鋼拱橋結構受力特點，該安全評估子系統采用綜合評估法對橋梁安全等級進行評定。綜合評估分為四個步驟，依次為層次劃分、專家調查與權重分析、評估指標的采集和處理、多層次評判[10]。大橋綜合評估基本流程如圖7所示。

圖7 大橋綜合評估基本流程

5 結 語

綜上所述，本文根據大橋工程特點設計了運營期健康監測系統，并對系統組成及模塊功能進行了闡述說明。其主要技術及創新點總結如下：

（1）開發了基于B/S架構的在線監測軟件系統，實現了輕量化應用；

（2）解決了傳感器、解調儀、服務器和工作站之間的互連、互操作性問題，實現了海量數據的同步采集、存儲及傳輸；

（3）通過對原始數據進行分解、變換，形成健康監測系統數據庫，實現了數據資源的集中處理、存儲和共享，為后續數據應用提供支持；

（4）通過長期數據相關性分析，對結構力學性能變化和系統傳感器運行狀況做出判斷，為管理和養護工作提供技術指導。