大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统探究

摘要:论述了大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统的开发目的和适用范围、系统的组成、开发的平台、系统的界面等,并以文晖大桥预应力混凝土斜拉桥健康监测与评估管理系统的研究开发为背景,介绍了该系统的主要功能及模块,系统的硬件设备和理论基础。提出和解决了大型复杂桥梁和隧道工程空间静动力分析的基准有限元模型问题。探讨了大跨预应力混凝土桥梁结构收缩徐变、温度等监测随时间的变化和影响,提出了相应的健康监测与评估管理的理论和方法,对大型桥梁和隧道工程健康监测和状态评估管理具有重要的理论意义和工程实用价值。

关键词:大型桥梁与隧道工程;健康监测;评估管理系统开发

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

1引言

重大桥梁结构与隧道工程的健康监测与评估管理,对于改善桥梁与隧道工程的运营状态、提高桥梁的管理和服务水平,确保生命线工程的畅通,具有重要的理论意义和工程实用价值,已成为国内外桥梁与隧道工程学术界、工程界及管理界共同关注的焦点。

2系统的开发目的和特点

由于大型桥梁与隧道工程在运营期间会受到气候、氧化、腐蚀或老化等因素的影响以及在长期恒载和活载的作用下会产生各种损伤和局部损毁,其强度和刚度会随时间的增加而降低,这不仅影响了安全行车,更会使其使用寿命缩短。因此,有必要在现有技术水平的基础上,集结构分析、计算机通信及网络、现代传感器检测、监测技术、评估与养护管理为一体,开发一套健康监测评估系统,用以监测和评估桥梁与隧道工程的营运状态,为养护管理提供科学依据。大型桥梁与隧道工程的健康监测与评估管理系统的特点是一种基于内在的环境振动响应监测和数据分析、损伤识别技术和外部的桥梁调查检测相结合的先进的计算机监测和管理系统,它突破了传统的仅靠目测和外观检测的结构养护管理模式,能有效地提高大型桥梁与隧道工程结构的运营养护管理水平和效率,有助于保障结构及行车的安全。其最大的亮点是采用集成技术,将现代的计算机、传感、信号处理技术、软件开发、桥梁结构分析与结构检测技术等相融合,在W indows、Delphi和Access平台上,研究开发功能全面、强大,操作简便的桥梁健康监测与评估管理系统软件,将结构的信息、桥梁管理、日常养护、检测、荷载试验及结构状态评估等功能相综合,为大跨结构的健康监测和状态评估管理提供科学的手段和方法。

3系统组成

桥梁的健康监测评估系统包括硬件和软件两方面的工作:硬件主要是测试主要构件关键截面的应力、挠度或位移、索力、裂缝、动力加速度、频谱和模态分析等物理参数的仪器设备;软件方面主要包括建立桥梁数据库与数据管理系统及桥梁工作状态综合评估系统两部分。系统的目标是实现大桥管理的电子化、规范化、科学化,使桥梁管理部门能够准确合理的把握桥梁健康状态,节省人力及其他不必要的资源浪费。系统软件最终用户为文晖大桥的管理人员。系统的文档一般由研发报告和用户手册组成。研发报告:主要针对健康监测桥梁与隧道工程的特点,研究和确定健康监测和评估管理系统开发中将遇到的一些关键技术问题而应采取的对策和措施,主要包括总体健康监测方案设计、结构分析方法、损伤识别方法、状态评估指标及评估方法等确定及系统的开发等。用户手册:《用户手册》主要用于帮助用户快速掌握系统的使用,同时简单介绍系统的功能和模块组成等系统根据用户的投入和要求一般可分成三个等级:在线的健康监测与评估管理系统,非在线的健康监测与评估管理系统以及一般的工程结构管理系统。典型的大跨预应力混凝土斜拉桥健康监测和评估管理系统界面和功能模块包括系统的主界面、基本信息、数据检测、状态评估、荷载试验、日常维护、数据打印、系统设置、使用帮助等。

4系统运行环境

系统在W indows操作系统下,采用Delphi和Ac-cess2000后台数据库等开发软件进行研究和开发。运行的软件环境为W indowsXP/2000,对硬件环境无特别要求,采用通用的台式机或笔记本电脑即可,在线的要求有服务器和大型监测设备等。

5系统主要功能及模块

系统主要收录监测桥梁的相关数据资料,具有数据检测、状态评估管理的功能,并且针对各大桥的设计特点和养护要求,可以连续或定期对桥梁进行监测和评估,必要时将有关的荷载试验与成桥的荷载试验及理论计算结果进行对比,提出相关的文件和报表,供日常的养护管理和决策。此外,还可根据实际需要进行参数设置和管理。大型桥梁与隧道工程健康监测和评估管理系统一般包含八个功能模块:

(1)基本信息―――结构的设计、施工、成桥以及传感器布置信息;

(2)数据检测―――查看、编辑、添加检测数据;

(3)状态评估―――由检测数据,评估分析当前结构状态;

(4)荷载试验―――基于理论分析的结果,由荷载试验结果,对结构评价;

(5)日常维护―――对日常维护数据进行存储管理;

(6)系统设置―――设置评估参数及用户管理;

(7)数据打印―――将数据库数据形成报表,供打印;

(8)使用帮助―――提供软件及传感器等的使用方法。

6系统的硬件设备

系统的硬件设备主要有各类数控应变测试仪、数据采集系统,光纤传感器及解调仪,高精度的水准仪和全站仪,智能电测位移传感器和采集系统,无线动力测试和数据采集,传输分析系统,各类加速度传感器、索力测试分析仪、计算机服务器、便携式计算机、埋入式荷重传感器、风速仪、交通车辆监控系统,混凝土超声波检测分析仪等。

7系统的理论基础

7・1独特的基准有限元模型

一个有效的桥梁与隧道工程健康监测与评估系统应当包括基于空间分析理论的基准有限元模型,浙江大学桥梁与隧道健康监测研究中心经过10多年的研究和开发,提出了具有自主知识产权的层合单元理论及相应的程序,可综合考虑外荷载和预应力束的空间效应。层合单元理论应用于箱梁桥的计算具有单元数目少、适用性强的优点,它不但适用于形状比较规则的等截面桥梁的计算,而且适用于异型或变截面桥梁的计算。运用该程序可建立复杂桥梁和隧道工程和预应力空间结构的静动力分析的精确有限元模型,给出相关的应力、变形及模态控制参数等,解决了大型复杂桥梁和隧道工程空间静动力分析的基准有限元模型问题。另外,还可从不同的理论或通用程序ANSYS等进行分析对比研究。

7・2收缩徐变、温度效应的影响分析

对大跨预应力混凝土桥梁结构应考虑结构监测随时间的变化和影响,为此应对结构物从施工到成桥状态进行全面的静力分析,同时计算分析成桥状态恒活载效应、温度效应及收缩徐变效应对结构健康监测的影响分析。

7・3桥梁的损伤识别研究

大型桥梁结构的安全监测系统中,结构的静态特性以及振动特性是重要的监测项目之一,对正常运营状态下大桥的静态特性和振动特性进行长期监测,及时掌握结构的健康状况,是大型桥梁安全监测系统的基本任务。当监测结果发生异常时,及时利用监测系统获得的各种量测数据,有效快速地诊断结构可能发生的损伤部位和损伤程度,是建立大型桥梁监测系统所面临的关键技术之一。目前桥梁结构损伤识别方法大致分为三大类。即指纹分析和模式识别法,系统识别与模型修正方法以及神经网络方法。目前提出的动力指纹有频率、模态振型、模态曲率、应变模态、柔度矩阵、模态应变能、传递矩阵、模态置信度准则(MAC)、坐标模态置信度准则(COMAC),传统的系统识别技术有卡尔曼滤波(KF)、扩展的卡尔曼滤波(KF)、最小二乘法、最大可能性方法等。模型修正方法按照识别所提取的力学特征可以分为基于振动量测的模型修正方法、基于静力参数的模型修正方法和静动力参数相结合的模型修正方法;按照识别所针对的范围可分为整体识别方法和子结构分析方法;按照识别方法是否是确定性的分为确定性的方法和统计分析方法。浙江大学从结构振动的频率、模态出发,构造了一种用于结构损伤检测的复合动力指纹―――Z指标,该指标计算方便,灵敏度较高,能较方便地进行损伤有无及损伤定位;其次考虑到依据结构振动频率或振形构造的单一动力指纹对局部损伤不敏感的特点,提出了基于静力位移测量数据的斜拉桥结构损伤识别方法,并提出了一种稳定的迭代求解算法,该损伤识别方法可较好地应用于结构损伤程度的确定。同时将有限元计算、矩阵摄动理论及贝叶斯统计理论相结合,从概率统计的角度提出了基于贝叶斯统计的损伤识别方法。

7・4状态评估理论和方法

监测的最终目的是进行合理有效的评估,为养护管理的科学决策提供依据。评估的内容和主要依据为现行交通部颁《公路桥梁养护规范》(2004)和建设部颁《城市桥梁养护》、《公路隧道养护规范》等技术规程和有关的设计规范要求。评估按性质初步可划分为四方面内容:

(1)整体状态评估:主要评价桥梁各主要构件的承载能力、构件应力、构件刚度、结构性损伤、主要构件承载能力的弱化以及桥梁功能性的退化等。

(2)安全性评估:安全性指结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载、外部变形等的作用,在偶然事件发生后,能保证整体稳定性,不致倒塌。安全性评估指主要针对桥梁各主要构件的承载能力、构件应力、构件刚度、结构性损伤等进行评估。

(3)耐久性评估:耐久性指结构在正常维护下,随时间变化仍能满足预定功能要求,如锈蚀而影响寿命等。耐久性评估指主要针对桥梁各主要构件的耐久性损伤(如:混凝土裂缝及腐蚀、混凝土保护层损伤及碳化深度、氯离子含量、钢构件的锈蚀、构件的疲劳损伤等)进行评估。

(4)适用性评估:适用性指结构在正常使用荷载下,应具有良好的工作性能。如不发生影响结构正常使用的过大的变形等。适用性评估即功能性评估,主要针对桥梁的功能性损伤进行评估,如过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂、附属设施损伤以及过大变形等。

结构安全性与耐久性之间界限不是很明显,其某些评估指标相互重叠,结构的耐久性问题最终将影响安全性问题。而适用性可作为一项辅助评估项目。安全性、耐久性、适用性的综合评估构成桥梁整体状态评估。

大型桥梁和隧道工程结构是一个复杂系统,影响其质量和使用功能的因素众多,这些因素与桥梁和隧道工程质量和使用功能之间的关系错综复杂,绝大多数不能定量地用一个函数关系表达,过去只能靠专家经验来分析、判断。这样众多的因素若不加任何处理就来分析它们与使用功能间的关系,即使对于经验丰富的专家来说也有困难。这时,有必要把结构工作状态评估这样的复杂问题分解为相对简单的多层子问题或指标,进行分析和评估。目前的评估方法有层次分析法(AnalyticalHierarchy Process)、变权综合原理法及神经网络法等。

采用层次分析法将影响桥梁工作状态的各种因素调理化、层次化,把对某个状态影响程度相近或比较紧密的因素放在一起,形成一个层,建立多层的层次关系综合评估体系;通过对评价指标的无量纲化处理,将结构检测、表观调查等不同类型的数据进行综合,实现了对预应力混凝土斜拉桥状态的综合评估;通过变权方式,实现了根据各指标的退化情况调整指标权重,达到了客观评估结构状态的目的;通过加权综合的方法由底层指标得到上层指标的状态,逐层综合,得到整个桥梁的状态。最终建立了基于层次分析法的大跨预应力混凝土桥梁状态变权综合评估方法和理论。

9结语

论述了大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统的开发目的和适用范围、系统的组成、开发的平台、系统的界面等,并以文晖大桥预应力混凝土斜拉桥健康监测与评估管理系统的研究开发为背景,介绍了该系统的主要功能及模块,系统的硬件设备和理论基础,提出和解决了大型复杂桥梁和隧道工程空间静动力分析的基准有限元模型问题,探讨了大跨预应力混凝土桥梁结构收缩徐变、温度等监测随时间的变化和影响,提出了相应的健康监测与评估管理的理论和方法,对大型桥梁和隧道工程健康监测和状态评估管理具有重要的理论意义和工程实用价值。

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