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1、桥梁监测系统
1.1桥梁检测的简介
桥梁安全监测是在传统的桥梁检测技术的基础上,运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术,实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为,获取反映结构状况和环境因素的信息,由此分析结构健康状态,评估结构的可靠性,为桥梁的管理与维护提供科学依据。
在偶发事件(如地震)发生后,可通过监测数据识别结构的损伤和关键部位的变化,对桥梁结构的承载能力和抗风、抗震能力做出客观的定量的评估。
由于桥梁(尤其是斜拉桥、悬索桥)的力学和结构特点以及所处的特定环境,在桥梁设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的,桥梁的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。
而结构理论分析常基于理想的有限元模型,并且分析时常以很多假定为前提,这种模拟试验和计算假定可能与真实桥位不完全相符。
因此,可以通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为,可以验证桥梁的结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性,而且监测数据可用于深入研究桥梁结构及其环境中的未知和不确定性问题。
而且桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深
1.2桥梁监测系统的结构
桥梁监测系统就是通过对桥梁结构进行无损检测,实时监控结构的整体行为,对结构的损伤位置和程度进行诊断,对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。
桥梁监测系统的基本组成如图1所示。
图1 桥梁检测系统基本组成框图
1.3桥梁监测系统的特点
桥梁监测系统作为现代桥梁系统中必不可少的一部分,有着极其重要的地位,对桥梁的安全和争产运行起到了极其重要的作用,基于对桥梁监测系统的研究,其具有以下一些共同特点:
(1)通过测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录.
(2)除监测结构本身的状态和行为以外,还强调对结构环境条件(如风、车辆荷载等)的监测和记录分析;
同时,试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的“指纹”,并借此开发实时的结构整体性与安全性评估技术.
(3)在通车运营后连续或间断地监测结构状态,力求获取的大桥结构信息连续而完整.某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量.
(4)监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力,并实现数据的网络共享.
1.4桥梁监测系统的监测方面
桥梁监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导.为此,监测系统对以下几个方面进行监控:
(1)桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。
(2)桥梁结构在突发事件(如地震、意外大风或其它严重事故等)之后的损伤情况。
(3)桥梁结构构件的耐久性,主要是提供构件疲劳状况的真实情况。
(4)桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如斜拉桥振动控制装置)的工作状态。
(5)大桥所处的环境条件,如风速、温度、地面运动等。
2、桥梁危险源
2.1桥梁中的危险因素
桥梁中存在诸多因素会导致桥梁发生事故,对这些因素的研究有助于我们对桥梁事故更好的预测和分析,可以更好地避免事故发生,减少人员伤亡和财产的损失,因此,桥梁监测系统所监测的因素主要有以下几方面。
(1)荷载。
包括风、地震、温度、交通荷载等。
(2)几何监测。
监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等。
(3)结构的静动力反应。
监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应(频率模态)等。
(4)非结构部件及辅助设施。
支座、振动控制设施等。
2.2桥梁事故的事故树分析
针对可能发生的桥梁事故,分析导致的原因事件,然后根据这些原因事件建造事件树,确定成立的事故方案,并应用ANSYS软件等工具计算出桥梁结构在各种可能原因事件以及各种可能事故方案的作用下的空间应力状态;
最后通过对这些可能事故方案的分析来确定事故的原因及机理。
具体分析过程如图2所示。
图2基于可靠性的事故分析模型
如果某工程事故在事故原因调查分析时通过专家意见、现场调查、文献搜集以及回顾等确定有3种可能事故原因事件(E1,E2,E3),则有6种可能事故方案,如图3所示。
图3所有可能引起事故的方案
在完成事件树建造之后,下一步就是对每个破坏事件进行品质分析(也即这些事件发生的条件概率)和确定每种事故方案的发生概率.如果事故方案中的某一事件的条件概率小于事故发生的极限概率值,则认为该事故方案不成立,而只需要对那些成立的方案进行分析,如图4所示.
图4研究的事故方案
通过上述理论,可以形成事件树分析法对事故分析步骤.
桥梁中涉及到的因素有静态的有动态的,有有形的有无形的,因此针对不同的因素要采取不同的方法和频率。
依据桥梁中不同因素所属的种类不同,将相应因素进行了相应的分类,同时给出了相应的监测手段。
下表1中具体列出了不同因素的监测方式和频率。
表1不同因素的分析表
4、桥梁监测系统的具体实施方案
在桥梁监测系统中不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同.绝大多数桥梁监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发的,个别也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题的研究为目的.如果监测系统考虑具有结构设计验证的功能,那就要获得较多结构系统识别所需要的信息,因此,对于大型桥梁,需要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索/拉索各部位,以获得较为详细的结构动力行为并验证结构设计时的动力分析模型和响应预测,另外,在支座、挡块以及某些联结部位需安设传感器获取反映其传力、约束状况等的信息.
4.1桥梁监测方案中组成部分
(1)硬件部分
监测系统的硬件主要用于桥梁参数的采集和数据处理,在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理,并设置工作站计算机进行实时监控,在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据的传输和采集,在桥梁的不同位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态的监测。
原始数据采集设备如下:
(1)风力风向监测设备
成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一。
在风荷载作用下,桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动,引起疲劳损伤累积,导致桥梁抗力衰减。
通过监测风速、风向,统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等,可以得出结构的风与结构响应关系,从而对结构进行风致振动的分析。
(2)环境温度监测设备
通过环境温度的监测,可以分析环境温度对结构静力响应的影响,以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态;
可以分析环境温度对振动特性的影响,以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确;
可以预测可能出现的极限环境温度荷载。
同时,空气湿度对结构的耐久性影响也较大。
环境监测中温度和湿度的监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是重要的参数指标,另外温湿度监测可以为系统采集站设备的工作环境控制提供参考数据。
(3)结构温度监测设备
构件温度的分布状况将直接影响到结构的变形和内力状态,构件温度场中的温差效应的实际分布也是设计单位关心的一个重要结构参数;
对结构温度分布情况的监测可以用于分析结构温度场对结构静力响应的影响,以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态;
可以帮助分析结构温度场对振动特性的影响,以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确。
因此温度荷载的监测可以帮助考察可能出现的极限温度场荷载,为结构分析提供帮助。
另外温度场监测可为部分监测设备做温度补偿。
(4)地震监测设备
地震荷载的监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处的地震动加速度时程及其频谱,为结构整体和局部的动静力响应及灾后评估提供依据,为大桥管理部门处理突发事件提供资料。
(5)动态交通荷载监测
交通荷载的监测一方面可以对运营期大桥的交通量进行统计,对过桥的车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测,当车辆超载时可给出预警。
另一方面,车辆交通荷载的监测可以为结构响应大小提供对比的参照,提供桥梁是否处于无车辆活荷载的近似恒载的判断依据,作为桥梁恒载状态对比分析的前提条件。
(6)结构应变监测设备
对构件应力的监测可以分析求解出测点的应力状况。
结构的应力是重要的结构局部信息,一旦应力超限,便可能导致材料开裂或破坏,进而导致构件和桥梁的破坏。
应变指标是运营期间安全性预警的重要信息,也是结构状态分析的参考信息,尤其对一些关键的结构部位(如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等),必须对其进行监测。
(7)主梁挠度监测设备
桥梁主梁挠度直接反应了主梁当前的整体受力状态,桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定的主要指标。
(8)索塔倾斜监测设备
桥塔是斜拉桥的主要承重构件,桥塔一旦出现较大倾斜,整个斜拉桥会有倾覆的危险。
另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布的表现。
(9)主梁及索塔空间变位监测设备
主梁和索塔的空间变位是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数,是结构安全预警的重要指标。
(10)整体位移监测设备
斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形,这种纵向变形将通过伸缩缝处主梁端部位移来反映。
伸缩缝处主梁端部位移与温度之间具有一定的对应关系,通过监测可以掌握主梁纵向变形情况,如果主梁的纵向变形异常(变形未被释放),则会导致主梁出现较大的温度应力,这对主梁安全将产生危险。
(11)斜拉索索力监测设备
斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件,斜拉索索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化,关系到整座大桥的安全,通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。
(12)动力特性监测设备
桥梁动力特性参数的变化(频率、振型、模态阻尼系数)是桥梁构件性能改变的标志。
桥梁的振动水平(振动幅值)反映桥梁的安全运营状态。
桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低和局部破坏,是进行结构损伤评估的重要依据。
(13)腐蚀监测设备
桥墩支撑着整个桥梁,一旦出现问题,后果极其严重。
桥墩所处位置环境恶劣,各种腐蚀因素会导致桥墩混凝土耐久性降低,通过对桥墩处混凝土耐久性CL一腐蚀进程监测,能及时掌握桥墩混凝土的腐蚀程度,在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可及时进行补救。
在桥梁现场设置的工作站进行数据转换后,将光信号和模拟信号转换成数字信号,通过光缆传输到监控分中心,在现场的工作站设置一套同步时钟系统,以保证各个设备采集数据的同时性。
(2)软件部分
监测系统要实现全桥整体状态的监测,离不开最后软件系统的数据分析与处理,其中,又可以把软件系统分为三大块,分别是:
(1)数据采集与传输系统
数据采集与传输系统是整个监测系统实现的首要条件,通过这个子系统,实现了对传感器信号的采集、处理、存储、传输与显示功能,现场设备与数据服务器紧密联系,可以随时对所需要的数据进行调用。
(2)数据处理与分析系统
这个子系统是桥梁监测系统的核心,它完成桥梁巡检、养护管理及预警功能,实现巡检动态数据的录入、存储、导出、上传功能。
达到桥梁监测系统要求的数据接收与处理服务器上的数据传输、数据下载、数据处理及数
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