基于壽命周期的斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

高 昕 黃連英 王余鵬

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 延平 353000）

1 引言

隨著建橋技術(shù)的快速發(fā)展，基于壽命周期的斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)日益受到重視。斜拉橋建設(shè)占用大量人力、物力資源，為延長斜拉橋周期使用壽命、保證使用人群的安全，基于壽命周期的斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)使用成本較高，迫切需要投入先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)，為斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)尋求更大的突破。

由于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測技術(shù)的規(guī)范性、監(jiān)測設(shè)備、信號分析技術(shù)等多方面的知識，對監(jiān)測技術(shù)提出了更高的要求，因此，在監(jiān)測斜拉橋梁周期壽命時，需要借助傳感器等自動化技術(shù)，得出更準(zhǔn)確、更及時的結(jié)論。

2 基于壽命周期的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用意義

近年來，橋梁施工技術(shù)和技術(shù)理論不斷創(chuàng)新，橋梁跨度不斷被突破，橋梁建設(shè)取得了很大成就，但橋梁結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜。針對橋梁的特殊性和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)更敏捷、技術(shù)更可靠的綜合周期壽命全范圍及時監(jiān)控系統(tǒng)，對可能發(fā)生的安全故障作出快速反饋，并提出解決措施。工程師通過數(shù)據(jù)源整理，評估前期危險(xiǎn)預(yù)警，確保橋梁安全，提高橋梁使用壽命，從發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、聯(lián)動控制，直到消除安全隱患，對發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、敏捷性等具有重要意義。

3 基于壽命周期的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測現(xiàn)狀

斜拉橋監(jiān)測方法是以MIDAS便攜式儀器測量的信息為主、人工目測檢查為輔的線上線下一體化監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時全方位監(jiān)測和評估。但在實(shí)際監(jiān)測中，人工監(jiān)測系統(tǒng)還存在一些問題。

3.1 理論研究未有突破

我國斜拉橋的施工技術(shù)和數(shù)據(jù)分析日趨完善，但存在的問題比較多，尤其是橋梁損壞狀況的研究還處于經(jīng)驗(yàn)積累階段，理論研究還沒有突破，監(jiān)測系統(tǒng)需要不斷更新。

3.2 監(jiān)測耗費(fèi)大量財(cái)力、人力

目前，橋梁監(jiān)測仍然采用人工配合傳統(tǒng)儀器采集橋梁各部位和點(diǎn)，而且有時會出現(xiàn)監(jiān)測公司交接過程數(shù)據(jù)丟失、錯漏等情況，造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)單一

斜拉橋監(jiān)測技術(shù)多為針對性監(jiān)測，人工監(jiān)測對象為單個主要構(gòu)件，監(jiān)測周期過長。同時，解決方案時效性不夠，與監(jiān)測節(jié)奏不匹配，無法準(zhǔn)確地提供整體診斷信息和全面監(jiān)測數(shù)據(jù)，只能局部分析結(jié)構(gòu)周期壽命監(jiān)測和評估信息。

3.4 影響交通運(yùn)行

為了保證過往人群的安全，橋梁多采用封閉式監(jiān)測，普通監(jiān)測需借助監(jiān)測設(shè)備，斜拉橋梁的通行監(jiān)測需要搭設(shè)觀察平臺，或使用觀測車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，可能導(dǎo)致道路擁堵。

3.5 監(jiān)測時效性較低

如果斜拉橋梁工程的周期較長，檢查壽命周期快則幾周，慢可達(dá)數(shù)年。如遇重大自然災(zāi)害或嚴(yán)重事故，監(jiān)測設(shè)備未能及時到達(dá)現(xiàn)場，就不能及時發(fā)布監(jiān)測信息。斜拉橋梁人工監(jiān)測程序及設(shè)備在實(shí)際使用中存在較大的局限性，給壽命周期監(jiān)測帶來一定的不便，因此，建立一個能在斜拉橋梁結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)監(jiān)控橋梁耐久性和安全性的監(jiān)測系統(tǒng)已迫在眉睫。

4 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的組建

傳感器是橋梁監(jiān)測研究中的重要設(shè)備，但可靠性和精確性參差不齊，因此，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇橋梁結(jié)構(gòu)壽命周期的監(jiān)測技術(shù)設(shè)備。建立橋梁健康壽命監(jiān)測系統(tǒng)不僅要考慮設(shè)備類型、監(jiān)測指標(biāo)等因素，還要考慮不同的斜拉橋梁結(jié)構(gòu)。斜拉橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸問題可通過傳感器收集數(shù)據(jù)的量級，選擇不同類型的無線傳輸方式，靈活選用4G和5G的轉(zhuǎn)換使用。在斜拉橋梁健康壽命的監(jiān)測過程中，良好的用戶界面能幫助監(jiān)測員快速地進(jìn)行分析、判斷，使監(jiān)測員更清晰、直觀地了解橋梁的技術(shù)狀況，因此，需要建立實(shí)用的壽命結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)備的選型原則

任何一種斜拉橋監(jiān)測結(jié)構(gòu)都有受環(huán)境和荷載影響而產(chǎn)生變形和損傷的關(guān)鍵部位，這些部位正是我們在斜拉橋梁健康壽命監(jiān)測過程中必須控制和注意的一個重要環(huán)節(jié)。

4.2.1 確保監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、靈敏性和階段性原則

斜拉橋梁健康壽命監(jiān)測系統(tǒng)是一種長期使用的設(shè)備，不是一次性耗材，每次監(jiān)測數(shù)據(jù)自動保存，為后續(xù)工作提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果斜拉橋梁發(fā)生故障的原因與以前一樣，那么，監(jiān)測系統(tǒng)就會立即作出反應(yīng)，因此，監(jiān)測系統(tǒng)需要感知橋梁結(jié)構(gòu)的環(huán)境狀況和受力情況的變化，及時處理突發(fā)事故信息。對于斜拉橋梁的保養(yǎng)，保養(yǎng)單位要重視對機(jī)械設(shè)備損傷的修復(fù)、日常維護(hù)和維修等，數(shù)據(jù)處理人員要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行綜合分析。感知數(shù)據(jù)時，注重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和階段性等，重點(diǎn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行判斷和反饋。

4.2.2 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀判別監(jiān)測系統(tǒng)的原則

纜索、主梁、橋墩、橋面、橋塔等是橋梁的主要結(jié)構(gòu)，它們又是受荷載和環(huán)境影響而導(dǎo)致橋梁受損的重要因素。就建筑材料而言，復(fù)雜組合、特大型斜拉橋梁基本上是以混凝土和鋼筋為主要材料。根據(jù)橋梁的外觀、建筑材料、規(guī)模大小、構(gòu)造結(jié)構(gòu)的難易程度等因素，判斷并識別出斜拉橋梁是否需要建立健康監(jiān)測系統(tǒng)。

4.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)策略

利用系統(tǒng)開發(fā)策略建立監(jiān)測系統(tǒng)，并參照基于壽命周期斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)提供的有效數(shù)據(jù)，對不同的橋梁結(jié)構(gòu)和地理位置采用不同的斜拉橋梁監(jiān)測方式。評價斜拉橋梁健康壽命周期狀態(tài)主要依據(jù)MIDAS系統(tǒng)收集的不同類型數(shù)據(jù)，采用不同的評價模型結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行分析。

4.3.1 利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、模型識別的策略

在建立斜拉橋梁健康壽命監(jiān)測系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺應(yīng)注重分析手段是否準(zhǔn)確、價值評估模型是否符合斜拉橋自身結(jié)構(gòu)、監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)有無遺漏，通過建立系統(tǒng)對斜拉橋梁損傷程度的識別模型有針對性地選擇結(jié)果，將每個參照模型都納入監(jiān)測系統(tǒng)。開發(fā)系統(tǒng)軟件時，應(yīng)盡可能使用兼容性強(qiáng)、開放性好的程序性語言進(jìn)行編輯，以節(jié)約成本，真正做到一次開發(fā)，終身受益，獲取最大利益。

4.3.2 利用監(jiān)測數(shù)據(jù)識別關(guān)鍵點(diǎn)、部位的策略

在壽命周期斜拉橋監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)過程中，建立數(shù)據(jù)收集、分析、安全檢查、投入使用等全方位一體化系統(tǒng)，其主要目的是識別每座斜拉橋梁的關(guān)鍵點(diǎn)位置，采用對應(yīng)方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)整理數(shù)據(jù)，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時，監(jiān)測系統(tǒng)需識別關(guān)鍵點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)要順利進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)，并對分析結(jié)果評估模型，使健康監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到智能化管理輸出模式。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 基于壽命周期橋梁監(jiān)測系統(tǒng)MIDAS數(shù)據(jù)集成

采用MIDAS監(jiān)測不同結(jié)果的斜拉橋時，由于收集的數(shù)據(jù)類型不同，數(shù)據(jù)采集的頻率和收集方式也不同。例如，當(dāng)收集加速度對橋梁的影響數(shù)據(jù)時，MIDAS傳感器、應(yīng)變傳感器、濕度傳感器等收集30min、10min、60min、10min內(nèi)的峰值，見表1（受時間限制，只列出了溫度和風(fēng)力，以及荷載作用前10組數(shù)據(jù)）。

表1 原始采集數(shù)據(jù)

由表1可知：MIDAS傳感器種類、傳輸距離不同，數(shù)據(jù)結(jié)果不同，傳感器存在誤差。在監(jiān)測橋梁壽命周期時，可以利用多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。

按照MIDAS數(shù)據(jù)收集處理原則，將最高頻率數(shù)據(jù)項(xiàng)合并而成的數(shù)據(jù)見表2。

表2 集成后的數(shù)據(jù)

由表2可知：采集時間不同，溫度未發(fā)生變化，說明采集時間對監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有影響。但監(jiān)測不同關(guān)鍵點(diǎn)的荷載不同，風(fēng)力波動不大。

5.2 相關(guān)性研究分析

以監(jiān)測的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)為輸入變量，以壽命周期監(jiān)測的索力值為輸出變量，加重了監(jiān)測算法的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，時效性較差，運(yùn)算時間越長，說明數(shù)據(jù)監(jiān)測越復(fù)雜，設(shè)備預(yù)測結(jié)果也不準(zhǔn)確，達(dá)不到預(yù)期效果。將輸入變量與輸出變量進(jìn)行比較，并對斜拉橋梁索力值進(jìn)行前期仿真預(yù)判，預(yù)測前進(jìn)行影響因素精簡，可以快速、有效地提高預(yù)判的準(zhǔn)確度，減少運(yùn)算時間，提高監(jiān)測效益，節(jié)約監(jiān)測成本，獲得最大利益。各因素相關(guān)性見表3。

表3 斜拉橋相關(guān)性分析結(jié)果

由表3可知：濕度與風(fēng)速的相關(guān)性較小，而荷載與溫度的相關(guān)性較大，因此，在預(yù)測索力值時，僅選取溫度、荷載、風(fēng)速三個因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6 結(jié)語

針對橋梁的特殊性和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)全壽命周期綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對可能發(fā)生的安全故障快速做出反應(yīng)，并提供準(zhǔn)確的解決措施。利用數(shù)據(jù)源整理評估前期危險(xiǎn)預(yù)警，確保橋梁安全，延長橋梁的使用壽命，發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、聯(lián)動控制、消除安全隱患，對發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋操作系統(tǒng)具有重要意義。