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连续刚构桥健康监测系统的一个标准化解决方案(转发学社风清 检师学社)

2021-08-11   作者:学社风清 检师学社   点击:

桥梁结构健康监测系统很难有标准化的解决方案,结构型式各异,可获得预算不同,设计理念有差别,所以监测系统往往都是非标化地以项目模式实施。从布点设计来说,悬索桥简单,斜拉桥其次,梁式桥反倒难度大些。连续刚构桥除了主跨跨度和跨数有所差别外,总体上结构型式相似度较高,而且上部结构都是整体性较好的箱梁,既然如此对于存量巨大的连续刚构桥能否设计一个相对标准化的监测系统方案呢?


图1某连续刚构桥桥跨布置图

某连续刚构桥全长 2574m,其中主桥 92+6×170+92m,采用变截面预应力混凝土箱梁,两岸引桥采用预应力混凝土小箱梁,先简支后结构连续。我们就以这座连续刚构桥的主桥为例,设计一个标准化的箱型梁桥结构监测系统方案。

1.设计原则

(1)按第三代桥梁结构健康监测系统设计理念设计。我们在《第三代桥梁健康监测系统解决方案》中系统化阐述了我们的理念,我们将在今后的设计中不断践行该设计理念并根据具体的项目进行调整。

(2)应用目前国际上最先进的监测技术。我们在《几种桥梁健康监测领域的新技术和设备》对最近几年新出现的结构监测技术进行了介绍,这些仅仅是我们能够接触到的,监测设备技术发展迅速,实际远远不止这些。

(3)“分布式监测”与“集中式监测”相结合。分布式监测是第三代桥梁监测系统解决方案中非常关键的一个模式变革,适合针对多数量桥梁监测系统。针对上面的单一桥梁监测系统我们对此仍然给予了尝试,这里的考虑是,连续刚构桥数量众多,既然我们提出标准化解决方案,是可以适用于所有此类桥型,在我们的设计中方案中,分布式监测既能够针对一座桥梁,也能够无限拓展进来很多此类桥梁。

(4)局部参数监测和整体参数监测相结合。第一代桥梁监测系统重视整体量,尤其是振动特性等监测,以期能据此实现损伤识别;第二代桥梁监测系统局部参数监测居多从而以极大值监测为主导。针对连续刚构桥梁,我们坚持整体参量监测为主,局部参量监测为辅。从监测系统功能来看,监测系统发现局部病害的能力弱,局部损伤往往以人工检测的方式来获取,所以监测系统偏整体量,人工检测偏局部病害发现,相辅相成。

(5)固定式在线监测和移动式定期监测相结合。固定式和移动式结合是为了节约成本,同时还能间断性获得较高质量的数据。青马大桥加速度计选用的是霍尼韦尔的,17万港币一支,在监测系统加速度计布点时候,桥梁上正常布设,同时设计了一套移动的采集设备,定期在桥梁上加密加速度计,以测得更高阶和较高质量的模态数据。国内有人提出来长(在线实时)短(定期,时不时)期结合的监测理念,跟这个差不多。

假设有10座桥监测,都正常布点,然后配备一套移动式设备,在10座桥梁上定期补测,是不是实现了数据质量和成本的折中呢?

(6)解决桥梁监测系统长期运维的痛点问题。我们在第三代监测系统解决方案中提倡系统建成后交付给当地企业对其进行运维。

(7)结合人工检测数据,建立基于BIM的数字化桥梁管养系统。实时监测系统重在整体量监测,而桥梁局部病害靠定期人工检测来发现,所以我们建议此次大批量桥梁结构健康监测系统建设的同时,把这些桥梁管养系统建立起来。管养系统在数字化理念指导下开发,从而能够积累一定量数据之后向数字化系统转型升级,如果仍然停留在目前的信息化层面,桥梁管养数字化转型升级将会继续被无限期推延。

2.选用的监测设备

在我们喜欢下厨房的人看来,桥梁监测系统设计如同做菜,那监测设备就是食材,不同食材不同烹饪方法。针对连续刚构桥梁,我们选用以下四种设备。

(1)汽车动态称重系统

这是比较常见的设备,对于桥监测系统来说,汽车荷载是最为重要的荷载,绝大部分监测系统都安装了汽车称重系统。但是,通过对多个桥梁监测系统—有的系统建设规模还挺大—的学习和阅读,发现一个现象,就是汽车荷载监测数据采集选择“触发”采集的数据获取策略。触发采集往往是车载监测设备与拍照设备联动,对超载车辆进行抓牌。WIM设备很贵,然而从数据使用来看,浪费了设备的能力。桥梁监测系统数据策略应该是高采样速率,获取实际的结构荷载和响应信息,高速率采集数据量大可以做数据过滤,减少数据存储量。健康监测中的汽车荷载监测主要目的是获取桥梁实际的汽车荷载并建立评估用汽车荷载模型,而非主要用于拍超载车车牌,那不属于结构健康监测的主要功能。

2汽车动态称重 WIM系统构成图示

2NEURON系统

一款法国研发的监测设备,不知道如何给命名,就按他们自己的提法。NEURON系统将多个测量传感器串联组网用于结构测量。系统的每个测量节点都包含一个最先进的3轴加速度计,一个3轴磁力计和一个温度传感器。所有的测量数据都集中在系统的主节点上,根据实验条件或者用户需求可通过有线(以太网)或无线(4G)协议传输到指定的服务器。

图3 NEURON系统的监测节点

图4 NEURON系统的组网方式

NEURON系统有以下几个特点:①在一个“节点”内集成多种传感器,包括高精度三轴加速度计、3轴磁力计和一个温度传感,这种设计法比较开脑洞,肯定是需要做到数据融合;②节点之间串联,大大方便安装和拆卸;③根据桥梁长度和跨度选择不同节点数,应用灵活;④可以监测桥梁振动特性、动挠度和静挠度;动挠度精度可达3-5mm,采样速率100hz以上;静挠度精度可达0.1mm;⑤可以识别桥梁前7-9阶振动特性,包括频率、振型和阻尼比;⑥梁式桥上应用能充分发挥优势,并可以作为桥梁动静载试验设备使用。

3)微波雷达结构动位移监测设备

这是我们身边团队原创开发的毫米波高精度动位移监测传感器,最高精度可达0.1mm以上,采样速率大于50hz,成果获得中国交通建设集团技术发明二等奖,已经在全国近百座大型桥梁上应用验证。

图5 微波雷达设备及安装

表1 微波雷达技术性能参数

测量距离

>100m

测量量程

≤30cm

数据采样率

≥50Hz

精度

0.5mm

测量靶标

要求

数据输出

RS485

防护等级

IP65及以上

工作环境

-10+50(可扩展)@95%相对湿度

4)长寿命光纤光栅应变传感器

光纤光栅传感器在桥梁监测领域应用较为普遍,主要是布拉格光栅原理的。一条光纤可以串联多个传感器,解调设备通过中心波长对不同传感器数据加以识别。

图6光纤光栅传感器中心波长

图7光纤光栅传感器中心波长设计

理论上光纤光栅传感器都是长寿命,然而从工艺上做到长期耐久性需要花些功夫。某德国公司脑洞大开,另辟蹊跷,每个通道只采集一支传感器信号,不存在通过中心波长识别传感器的问题,系统简单化,提高了鲁棒性;通道数多,最多16个通道,也即是单台解调设备最多能够采集16支传感器。同时,解决了传感器封装和连接的成套工艺。图7的设备能够连接120支左右的光纤传感器,然而对于梁桥监测,选择一个监测断面只需十几支传感器的情况下,选择图7的设备从成本上不经济。

图8长寿命光纤传感器示意图

3.布点设计

图9传感器布点示意图

布点说明:

①法国设备:全桥均匀布设31个监测节点可以实现3mm-1cm动挠度监测,模态监测(7-9阶)和0.1mm静挠度监测。在中跨(170m跨)补充2个监测节点,可以实现该跨动挠度3mm以上的精度。这样全桥布设33个监测节点,跨中动挠度精度高,其他跨度精度低,桥全桥使用一个数据汇聚器。

②选中一个边跨(92m跨),布设一台雷达监测设备,测点布设在跨中截面。

③选择170m跨跨中截面,布设16支光纤光栅,使用一台光纤光栅解调仪。

④在桥梁附近道路上安装1套汽车动态称重系统WIM,覆盖所有车道。

⑤如果同时监测的桥梁数量多,配备1套10节点法国设备,定期补测数据。

4.系统总体布局图

图10 系统总体架构示意图

监测数据分三步处理,第一步是传输到监控中心,主要利用监测系统的实时性,做一步做些简单的统计和频谱分析即可,能够通过程序自动实现;第二步是由各个专业领域的服务商就某监测科目提供深入的数据分析;第三步是综合所有监测数据和人工检测数据对结构进行安全评估,这部分高校研究团队可以充分发挥其科研优势。

“分布式监测”针对一座桥梁效果不好甚至成本高,但是适合大规模桥梁监测,而且实现监测数据的充分有效的专业化挖掘。以法国设备为例,如果对100座桥梁提供监测服务,设备厂家可以提供“硬件+服务”的商业模式,由于分析桥梁多,可以配备优秀的工程师团队,而且桥梁数量越多,监测经验越丰富。如果说汽车荷载监测设备厂家能够提供分布式监测服务,他们提供的所有设备采集的数据都能够得到有效挖掘。一方面为单桥提供汽车荷载模型分析服务,同时由于其提供的荷载遍布全国各地,这些数据能够用于全国范围内的汽车荷载分布统计,从而能够反过来用于设计规范中汽车荷载模型更新。如此说来,目前花大价钱安装的称重系统采取触发式数据采集策略是不是有些浪费?

5.监测数据分析

基于汽车称重系统数据建立桥梁实际的汽车荷载模型,用于桥梁评估,图10。法国设备可用于桥梁模态监测,可用于动挠度监测和连续刚构桥梁的长期下挠监测,还可用于定期的桥梁动静载试验,图11。雷达设备用于桥梁动挠度监测,可与自动拍照设备联动抓牌超重车辆,图12。光纤光栅应变计监测断面最大应力,通过边缘计算过滤掉无用数据降低数据流量。值得说明的是应变属于局部参量监测,数据较为直观,动挠度更能反映桥梁整体刚度。

图11汽车荷载统计模型示意图

图12法国设备监测数据分析结果示意图

图13 雷达监测结果数据示意图

图14应变监测数据示意图

6.结构评估

图片

图15 结构评估示意图

对数据处理和分析加以总结如下:①用荷载数据建立桥梁实际汽车荷载模型用模态数据校准有限元模型。②建立精细桥梁有限元模型,使用实际荷载并用模态校准后定期进行桥梁承载力安全评估。③动挠度和动应变监测可以实时监测桥梁过大的应变和位移,及时报警。④法国设备可以用于定期桥梁动静载试验。⑤法国设备高精度静挠度监测数据可以用于桥梁损伤识别,原创技术来自团队承担的交通运输部重大科技课题《山区高速公路结构健康监测系统关键技术研究》。

7.基于BIM的数字化管养系统

图片

图16 数字化管养系统示意图

针对此次大批量桥梁健康监测系统建设,建议开发这些特大桥梁的数字化管养系统,有条件的情况下可以基于BIM技术开发。但是值得说明的是BIM仅仅是组织数据的一种方式,数字化桥梁管养系统功能实现依赖于各种分析模型,非一日功成,初始阶段可以在数字化桥梁管养系统理念指导下进行数据收集和保存,等积累几年后进行数字化升级。

8.总结

上面是我们基于我们能够获得的最为先进的桥梁监测技术,在我们提出的第三代桥梁监测系统设计理念指导下,尝试性地提出了一个连续刚构桥梁的标准化监测方案。这个方案除了连续刚构桥梁之外还能够用于连续梁桥。我们在本文前面提出了几个设计原则,表2是对设计原则遵守性的总结。

表2 对设计原则的遵守性分析

序号

设计原则

方案中是否体现

1

按第三代桥梁结构健康监测系统设计理念设计

2

应用目前国际上最先进的监测技术

3

“分布式监测”与“集中式监测”相结合

4

局部参数监测和整体参数监测相结合

5

固定式在线监测和移动式定期监测相结合

6

解决桥梁监测系统长期运维的痛点问题

部分

7

结合人工检测数据,建立基于BIM的数字化桥梁管养系统

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