1、大型橋梁工程健康監測與評估管理系統 1. 系 統 的 開 發 目 的和 適 用 范 圍由于橋梁在運營期間會受到氣候 ,氧化 ,腐蝕或老化等 因素 ,及長期在恒載和活載的作用下遭受損壞 , 其強度和剛度會隨時 間的增加而降低 ,這不僅影響了安全行車 ,更會使該橋的使用壽命縮短 因此有必要 在現有技術水平的基礎上 ,集橋梁結構分析 ,計算機通信 及網絡,現代傳感器檢測 ,監測技術 ,橋梁的評 估與養護管理為一體的 基于監測 ,狀態評估和橋梁養護管理等方面的健康監測評估系統 ,用以 監測和評 估橋梁營運狀態 ,為養護管理提供科學依據 . 大型橋梁工程 的健康監測與評估管理系統是一種基于內在的環境振動

2、響應監測和 數據分析 ,損傷識別 技術和外部的橋梁調查檢測相結合的先進的計 算機監測和管理系統 ,它突破了傳統的僅靠目測和外觀檢測的結構養護管理模式 ,能有效地提高大型橋梁工程結構的運營養護管理水平 和效率 ,有助于保障結構及行 車的安全 .其最大的亮點是采用集成技 術,將現代的計算機 ,傳感,信號處理技術 ,軟件開發 ,橋梁結構 分析與 結構檢測技術等相融合 ,在 Windows,Delphi 和 Access 平臺上 ,研究 開發功能全面 ,強大 ,操作簡 便的橋梁健康監測與評估管理系統軟件 將橋梁信息 ,橋梁管理 ,日常養護 ,橋梁檢測 ,荷載試驗及結構 狀態評估 等功能相綜合 ,為大跨

3、橋梁的健康監測和狀態評估管理提供科學的手 段和方法 . 2. 系 統 組 成橋梁的健康監測評估系統包括硬件和軟件 兩方面的工作 :硬件主要是測試主要構件關鍵截面的應力 , 2 撓度或 位移,索力,裂縫 ,動力加速度 ,頻譜和模態分析等物理參數的儀器設備 ; 軟件方面主要包括建立 橋梁數據庫與數據管理系統及橋梁工作狀態綜合評估系統兩部分 . 系統的目標是實現大橋管理的電子化 , 規范化 , 科學化 ,使橋梁管理部門能夠準確合理的把握橋梁健康狀態,節省人力及其它不必要的資源浪費 . 系統軟件最終用戶為大橋的管理人員 . 系 統的文檔由研發報告和用戶手冊組成 . 研發報告 :主要針對健康監測 橋梁的

4、特點 ,研究和確定健康監測和橋梁評估管理系統開發中將遇到 的 一些關鍵技術問題而應采取的對策和措施, 主要包括總體健康監測方案設計 ,結構分析方法 ,損傷識別方 法 ,狀態評估指標及評估方法 等確定及系統的開發等 . 用戶手冊 : 用戶手冊主要用于幫助用戶 快速掌握系統的使用 ,同時簡單介紹系統的功能和模塊組成等 . 根據用戶的投入和要求 ,系統一般可分成三個等級 :在線的橋梁的健康監測 與評估管理系統 ,非在線 的橋梁的健康監測與評估管理系統以及一 般的橋梁管理系統 . 3. 系 統 運 行 環 境系統在 Windows 操作系 統下,采用 Delphi 和 Access2000 后臺數據庫

5、等開發軟件進行研究 和開發運行的軟件環境為 WindowsXP/2000,對硬件環境無特別要 求,采用通用的臺式機或筆記本電腦即可,在線的 要求有服務器和大型監測設備等 . 4. 系 統 主 要 功 能 及 模 塊系統主要收錄監測 橋梁的相關數據資料 ,具有數據檢測 ,狀態評估管理的功能 ,并且針對 各大橋的設計 特點和養護要求 ,可以連續或定期對橋梁進行監測和 評估 , 必要時將有關的荷載試驗與成橋的荷載試驗及 理論計算結果 進行對比 ,提出相關的文件和報表 ,供日常的養護管理和決策 .此外,還 可根據實際需要進 行參數設置和管理 . 大橋健康監測和評估管理系 統一般包含八個功能模塊 : (

6、1)橋梁信息橋梁的設計 ,施工,成橋以及傳感器布置信息 ; (2)數據檢測 查看,編輯,添加橋梁檢測數據 ; (3) 狀態評估 由檢測數據 ,評估分析當前橋梁狀態 ; (4)荷載試驗 基于理論分析的結果 ,由橋梁荷載試驗結果 ,對橋梁評價 ; (5)日常維護 對橋梁日常維護數據進行存儲管理 ; (6)系統設置 設置橋梁 評估參數,及用戶管理 ; (7)數據打印將數據庫數據形成報表 ,供打 印; (8)使用幫助 提供軟件及傳感器等的使用方法 . 3 5. 典 型 的 系 統 界 面典型的大跨預應力混凝土斜拉橋健康監測和評估管理系 統界面如下 ;該系統由浙江大學交通所橋梁健 康監測研究中心負責 研

7、發 . 6. 系 統 的 硬 件 設 備系統的硬件設備主要有各類數控應 變測試儀 ,數據采集系統 ;光纖傳感器及解調儀 ,高精度的水準儀 和全 站儀 ,智能電測位移傳感器和采集系統 ,無線動力測試和數據采集 ,傳 輸分析系統 ,各類加速度傳感 4 器,索力測試分析儀 ,計算機服務器 ,便 攜式計算機 ,埋入式荷重傳感器 ,風速儀 ,交通車輛監控系統 , 混凝土超 聲波檢測分析儀等 . RS232 Server 7. 系 統 的 理 論 基 礎獨特的基 準有限元模型 一個有效的橋梁工程健康監測與評估系統應當包括基 于空間分析理論的基準有限元模型 , 浙江大學橋梁 健康監測研究中 心經過 10 多

8、年的研究和開發 ,提出了具有自主知識產權的層合單元 理論及相應的程序 ,可 綜合考慮外荷載和預應力束的空間效應 .層合 單元理論應用于箱梁橋的計算具有單元數目少 ,適用性強的 優點 ,它 不但適用于形狀比較規則的等截面橋梁的計算 ,而且適用于異型或變 截面橋梁的計算 .運用該程序 可建立復雜橋梁和隧道工程和預應力 空間結構的靜動力分析的精確有限元模型,給出相關的應力 ,變形及模態控制參數等 ,解決了大型復雜橋梁和隧道工程空間靜動力分析的 基準有限元模型問題 .另外 ,還可從 不同的理論或通用程序 ANSYS 等進行分析對比研究 . 收縮徐變 ,溫度效應的影響分析 對大跨預應力 混凝土橋梁結構應

9、考慮結構監測量隨時間的變化和影響,為此應對結構物從施工到成橋 狀態進行全面的靜力分析 ,同時計算分析成橋狀 態恒活載效應 ,溫度效應及收縮徐變效應對結構健康監測的影響分析. 5 縱向預應力筋 縱向預應力筋 整橋空間分析的有限元網格 空 間分析模型中的預應力筋描述示意圖 橋梁的損傷識別研究 大型橋 梁結構的安全監測系統中 ,結構的靜態特性以及振動待性是重要的監 測項目之一 ,對正常運營 狀態下大橋的靜態特性和振動待性進行長 期監測 ,及時掌握結構的健康狀況 ,是大型橋梁安全監測系統的 基本 任務 .當監測結果發生異常時 ,及時利用監測系統獲得的各種量測數據 有效快速地診斷結構可能發 生的損傷 ,

10、部位和損傷程度 ,則是建立大 型橋梁監測系統所面臨的關鍵技術之一 . 目前橋梁結構損傷識別方 法大致分為三大類 ,即指紋分析和模式識別法 ,系統識別與模型修正方 法以 及神經網絡方法 .目前提出的動力指紋有 頻率 ,模態振型 ,模態 曲率,應變模態 ,柔度矩陣 ,模態應變能 , 傳遞矩陣 , 模態置信度準則 (MAC) 坐標模態置信度準則 , (COMAC) 傳統的系統識別技術有卡 爾曼濾波 , (KF) , 擴展的卡爾曼濾波 (EKF) ,最小二乘法 ,最大可能性 方法等 .模型修正方法按照識別所提取的力學特征可以分為基于振動量測的模型修正方法 ,基于靜力參數的模型修正方法和靜動力參數 相結

11、合的模型修正方法 ; 按照識別所針對的范圍可分為整體識別方法和子結構分析方法 ; 按照識別方法是否是確定性的分為確定性 的 方法和統計分析方法 . 浙江大學橋梁健康監測研究中心從結構振動 的頻率 , 模態出發 ,構造了一種用于結構損傷檢測的復合動力指紋Z 指標 ,該指標計算方便 ,靈敏度較高 ,能較方便地進行損傷有無 及損傷定位 ;其次考慮到 依據結構振動頻率或振型構造地單一動力 指紋對局部損傷不敏感的特點 ,提出了基于靜力位移測量數據的斜拉橋結構損傷識別方法 ,并提出了一種穩定的迭代求解算法 ,該損傷識 別方法可較好地應用于結構損傷 程度的確定 .同時將有限元計算 ,矩 陣攝動理論及貝葉斯統

12、計理論相結合 ,從概率統計的角度提出了基于 貝葉斯統計的損傷識別方法 . 狀態評估理論和方法 監測的最終目的 是進行合理有效的評估 ,為養護管理的科學決策提供依據 .評估的內容 和主要依據為 6 現行交通部頒公路橋梁養護規范 (2004)和建設 部頒城市橋梁養護 公路隧道養護規范等技術規 , 程和有關的 設計規范要求 .評估按性質初步可劃分為四方面內容 : 整體狀態評估 : 主要評價橋梁各主要構件的承載能力 ,構件應力 ,構件剛度 ,結構性損 傷,主要 構件承載能力的弱化以及橋梁功能性的退化等 . 安全性評估 : 安全性指結構應能承受正常施工和正常使用時可能出現的各種荷載 , 外加變形等的 作

13、用,在偶然事件發生后 ,能保證整體穩定性 ,不致倒塌 . 安全性評估指主要針對橋梁各主要構件的承載能力 ,構件應力 ,構件剛度 ,結構性損傷等進行評估 . 耐久性評估 :耐久性指結構在正常維護 下,隨時間變化仍能滿足預定功能要求 ,如銹蝕而影響壽 命等 .耐久性 評估指主要針對橋梁各主要構件的耐久性損傷 (如 :混凝土裂縫及腐蝕 ,混凝土保護 層損傷及碳化深度 ,氯離子含量 ,鋼構件的銹蝕 ,構件的疲 勞損傷等 )進行評估 . 適用性評估 :適用性指結構在正常使用荷載下 ,應 具有良好的工作性能 .如不發生影響結構正常使用的過大的變形等 .適用性評估即功能性評估 ,主要針對橋梁的功能性損傷進行

14、評估 ,如過 大 振動,線形不平順 ,接頭跳車 ,結構開裂 ,附屬設施損傷以及過大變形 等. 結構安全性與耐久性之間界限不是很明顯 ,其某些評估指標相互 重疊 ,結構的耐久性問題最終將影響安全性問題 .而適用性可作為一項輔助評估項目 .安全性,耐久性 ,適用性的綜合評估構成橋梁整體狀 態 評估 . 大型橋梁和隧道工程結構是一個復雜系統,影響其質量和使用功能的因素眾多 ,這些因素與橋梁和隧道工程質量和使用功能之間的關系錯綜復雜 ,絕大多數不能定量地用一個函數關系表達,過去只能靠專家 經驗來分析 ,判斷 .這樣眾多的因素若不加任何處理就來分 析它們與使用功能間的關系 ,即使對于經驗豐 富的專家來說也有困 難.這時,有必要把結構工作狀態評估這樣的復雜問題分解為相對簡單 的多層子問題 或指標 ,進行分析和評估 .目前的評估方法有層次分析 法(Analytical Hierarchy Process)，變權綜合原理 及神經網絡法等.采 用層次分析法將影響橋梁工作狀態的各種因素調理化,層次化 ,把對某個狀態影響程度相近或比較 緊密的因素放在一起 ,形成一個層 ,建立 多層的層次