蔡家嘉陵江特大桥长期健康监测系统的设计及实施.doc

蔡家嘉陵江特大桥长期健康监测系统的 设计及实施重庆市轨道交通（集团）有限公司摘要：棊于蔡家嘉陵江特大桥工程棊础，结合现代化的传感技术和自动远程监控技术， 提出基于结构健康评价模型的桥梁长期健康监测系统，研宂其各个子模块的集 成方案及协同工作该系统对桥梁结构状态进行长期实时监测与评估，能够在恶 劣天气、混乱交通及出现紊乱的运营状态时及时地发出预警信号通过该系统在 蔡家嘉陵江特大桥中的运行实践证明：该系统功能完备、可靠性高，可为桥梁维 护、维修与管理决策提供依据关键词：鵬健康监测;系统;评仍;作者简介：秦清华，男，大学木科，高级工程师.E-mail: 1723978172@收稿日期：2017-02-17Received： 2017-02-17人工巡检桥梁时存在很多不确定因素，使得巡检效率低下、准确性差、需要大量 人力、诸多检查盲点、影响正常交通运行、周期长等问题现有的桥梁病害、养 修及监测信息等未能通过有效的管理手段进行有效的分析与利用因此有必要建 立和发展-个长期健康监测系统，用于监测和评估大桥在运营期间结构的承载 能力、运营状态和耐久能力等张磊针对交通建设中出现的建设与养护分离、组织管理混乱以及信息不能有效利 用等问题，提出了高速公路建设与养护一体数字化信息管理的开发建设思路， 为高速公路的数字化假设提供了有益的探索;朱合华等从基础设施建养一体数字 化技术中，分别从理论与方法和工程应用两方面展开研究。

针对基础设施建设期 与养护期出现的问题，提出棊础设施建养一体化概念，从数据采集、数据标准、 三维建模可视化技术、空间分析等几方面分析，该技术提高了数字化信息的有效 利用和管理水平;宋子婧深入分析了公路桥梁建养一体化信息管理系统，从信息 管理及信息需求等方面展开分析，该系统为后期桥梁的集成管理、使用寿命及生 命周期的信息化管理提供了有效的借鉴该文基于蔡家嘉陵江特大桥，提出基于结构健康评价的健康监测系统，从基础 管理、数据管理、结构健康评价及现场应用4方面深入分析，为桥梁结构的运营 状态进行合理评估，同时为桥梁维护、维修与管理决策提供依据1工程概况重庆轨道交通六号线二期蔡家嘉陵江特大桥位于金山寺站~曹家湾站区间内，以 轨道交通单建桥的形式跨越嘉陵江起于线路桩号K38+153. 149，止于 K39+403. 149,全长1 250m,主桥为双塔双索面混凝土斜拉桥，跨径布置为 (60+135+250+135+60) m,斜拉索共56对南引桥为2X45m连续梁桥,北引桥 为(3X60+3X60+3X50) m连续刚构桥2健康监测系统桥梁的服务年限增加后，其结构状态会发牛.退化，病害会逐渐增加，相应的维 修与养护成本也会逐年加大。

该文针对蔡家嘉陵江特大桥具体情况，为保障大桥 的交通通畅，结合现场定期的维护、维修与保养，加强桥梁信息化管理水平、增 加大桥的使用寿命，提出基于结构健康评价模型的桥梁长期健康监测系统，为 大桥的安全运营保驾护航系统主耍由基础管理、数据管理及应用管理3部分组 成，其架构如图1所示2. 1基础管理基础管理由传感器网、软件模块及硬件模块三部分组成传感器网由振弦式压力传感器、风速风向传感器、倾斜传感器、温度传感器、位 移传感器及加速度传感器等组成图1桥梁健康监测系统架构 下载原图软件模块由数据采集、数据传输、数据处理及安全性评估几个层次组成硬件模块括数据采集子模块、数据传输子模块以及数据处理与控制子模块2.2数据管理数据库中的数据流程主要为:原始数据的读取、数据筛选、数据结构化处理、生 成数据表、数据表的查询/修改/更新/插入/删除、生成数据文件、生成事务处理 曰志、文件组织、数据库备份、数据库恢复、数据库转存储、数据共享和远程操 作、主备用数据库等2. 2.1数据采集和传输运营期监测数据采集及传输主要考虑数据类型及其传输模式，只体设计如下所 述：(1) 静态数据(环境因素、结构温度、应变/应力、斜拉索索力、桥塔倾斜、混 凝土裂缝)、动态数据(风荷载、船撩荷载、变形/线形、仲缩缝位移、振动/ 加速度、轨道变形及响应)在运营阶段，采用有线网络数据传输方式的条件已经 具备，釆用分布式数据釆集与有线网络数据传输方式。

为减少外界干扰，传感器 与数据采集单元之间的距离不宜过大，一般在百米以内信号进入数据采集单元 之后，通过有线数据传输网络传送至监控中心的数据处理与控制服务器2) 定期监测数据(斜拉索索力、腐蚀)、定期监测数据采用人工读数方式，变 形数据先存入笔记本电脑，然后存入结构健康监测数据库数据传输设计思路如 图2所示此外，为了数据采集和传输更加高效便捷，将采集和传输系统设计为以下4个 模块图2系统釆集及传输系统总体框架 下载原图(1) 数据采集单元由用于信号调理、数据采集、模数转换、数据预处理及数据 传输等仪器/部件组成2) 局部有线数据传输网络数据采集单元和传感器之间数据传输由局部有线数 据传输网络完成3) 整体有线数据传输网络(运营阶段)负责数据处理与控制服务器和数据采 集单元之间的数据传输4) 数据采集与传输软件控制数据采集与传输硬件执行信号调理、数据采集、 模数转换、数据预处理及数据传输等工作2. 2.2数据处理和控制子模块(1) 监测数据的数据处理过程由于蔡家桥测点较多、监测内容丰富，数据量将十分庞大为了避免数据灾难， 整个数据处理过程主要包括：(1)数据的预处理这一过程在数据管理和控制系 统服务器内完成，主要进行简单的统计计算，比如设定时段内的最大最小值、均 值、方差、标准差等，将计算结果作为初始信号判定值来判定异常情况；(2)数 据的二次处理。

这一过程也在数据管理和控制系统服务器内完成，主要包括数据 的时域、频域、时频域分析及显示；(3)数据的后处理这一过程在终端微机与数据管理服务器完成主要进行监测数据的高级分析由于这一过程的分析数据 来自实时现场釆集数据和定期人工釆集数据，因此往往离线进行数据的后处理 包括各种报表的自动生成功能2）监测数据的管理和控制为了提高监测系统数据传输、保存的效率，该项目监测数据管理及控制主要包括:（1）自动保存和人为选择保存两种操作模式；（2）健康监测系统加速度传感器 釆集的数据约占整个原始数据的90%，考虑到实施实时釆集致使数据量太多， 因此针对加速度传感器将定制采集制度，按照一定的条件采集数据，大量地降 低无用信息的冗余；（3）用户可在局域网的终端电脑上通过网络观察原始数据， 发送采集控制指令，并可设定各种采集制度，对实时数据进行处理，并保存感 兴趣的处理结果2. 2.3数据与分析结果可视化将实吋数据显示、历史数据显示、分析结果显示数据后处理与分析结果、结构有 限元模型分析结果及结构状态、评价结果、数据历史极值动态刷新、结构状态预 警历史记泶刷新实现可视化，定期监测数据直接存入结构健康数据管理系统而 不经过数据处理与控制系统，它们的可视化仅由结构健康数据管理系统执行。

2. 2.4数据权限及加密该系统釆用TCSEC/TDI安全级别规定的A1级指标设计数据库数据权限管理，A1 级即验证设计，还在数据应用层或网络传输层对用户数据进行了数据加密保护 它不仅提供安全域的保护，同时给出系统的形式化设计说明和验证，以确信各 安全保护能够真正得到实现2.3应用管理该系统应用管理为架构健康评价子模块，由结构健康数据管理服务器、关系数据 库系统及结构健康数据管理软件组成，其中结构健康数据管理服务器位于现场 项R部办公室，而结构健康数据管理软件不仅可安装在结构健康数据管理服务 器，而且可安装在其他远程客户端2. 3.1数据预处理子模块数据预处理即利用前置数据采集专用工控机进行被测物理量量测结果的预处理 （即将原始数据转换为分析系统可用的计算数据，如量测结果的修正换算等）， 并按规定的格式整理形成数据文件到指定目录2. 3.2基于可靠性理论的桥梁实时监测安全评价子模块结合现有的桥梁监测和关技术，进一步完善基于可靠性理论的桥梁实时监测安 全评价技术，技术路线如图3所示各项关键技术如下：(1) 桥梁监测信息分布与检验釆用分布优度拟合技术，获得相关的统计参数2) 桥梁抗力统计参数分析计算，结合已有研究成果，采用样本追加修复链技 术通过修正获取桥梁结构抗力参数。

3) 桥梁结构可靠度计算模式:采用可靠、直观的蒙特卡罗法进行图3可靠性理论下的桥梁实时监测安全评价实施框图 下载原图(4) 桥梁结构的失效模式及结构的系统可靠度计算分析:根据桥梁的实际监测信 息，搜寻结构的失效模式及相关系数，以此为棊础研发出棊于实时监测系统的 可靠度计算分析模式2.3.3实时分析内力包络安全评价子模块首先，建立桥梁实时内力分析系统，针对主梁的变形特征，结合已监测的几个 位移，采用差值法获取整个桥面的位移数据把特定条件下的几个未知荷载等效 成相应的几种荷载通过有限元的离散过程进行分析，得出：桥面单元个数降低 的情况下，不确定的等效节点荷载数量同样会下降(此时的计算精度也会随之 下降)其次，利用大型结构分析软件，计算分析出桥梁结构在最不利荷载组合作用下 各截面的静力响应最大值(包括位移、弯矩、应力等)，以此构建桥梁结构的静 力响应包络图依据桥梁实时内力分析结果和静力响应包络图评价桥梁的安全状 况：内力分析值在静力响应包络图内，则桥梁安全;否则，桥梁则处于危险状态2. 3.4基于统计分析在役桥梁状态分析评估子模块该系统在运营期对桥梁进行长期的健康监测，监测的所有数据储存在结构相应 历史数据中，系统对这些数据进行全面的分析，从中获取能够反映有关桥梁结 构状态的基本规律，最终实现桥梁的架构安全评价。

桥梁某位置的作用效应主耍包括活载效应、结构损伤、温度效应或因为性能变化 导致的裂化效应，得出：式中:V为结构性能的一个参数，可以由主梁的拉索截面面积A (如果存在)、惯 性矩1、拉索弹性模量Eg、弹性模量E或其中的任意参数组合其中V是关于时间t的函数，活动荷载P （X）和温度T也是时间的函数，所以由它们引起的结 构响座分别为： 式中:Zv （t）为结构劣化效应，只和结构性能参数的变化有关;zT （t）为温度效 应，取决于结构温度及热膨胀系数，zT （t）的主要影响因素包括白昼温差、突 然降温以及季节变化温差，最主要的时间尺度为Id和1年（t）为活载效应, 主要受活动荷载及结构性能变化影响通过温度变化特点能够比较容易地剔除结构响应中的温度效应通过系统的分析 得出：活载效应和历史信息在桥梁结构的劣化效应中可分别形成一个随机过程 z={z0, Zi, z2, •••, z„, •••}，将其表示为：式中：U为过程均值；L为随机变化的参量通过监测过程均值是否出现不可恢 复的单向变化趋势判断桥梁结构的安全情况，其具体技术路线如图4所示图4基于统计分析的安全评估流程 下载原图2. 3.5人工检测信息与健康监测信息融合子模块索塔、拉索、桥墩腐蚀等定期人工检测信息对分析结构安全是重要的一部分，由 此，在基于长期健康监测信息的结构状态分析基础上，融合人工检测信息，进 一步修正和完善在役桥梁的安全评估。

2. 3.6桥梁长期监测预2F预报子模块将桥梁健康状态分为健康、亚健康、危险3种状态开发相应的预报系统并分别以 以下3种方式给出桥梁状态信息：（1）灯光预警:绿灯（健康）、黄灯（亚健康） 和红灯（危险）表示；（2）声音预警:无（健康）、缓和（亚健康）和急促（危 险）表示；（3）物联网信息预警:及时自动将桥梁安全状况发信息至桥梁管理工 作者3工程应用3.1控制截面选择（1）内力和变形分析通过全桥内力和变形分析后确定全桥梁。