嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)研究★

徐文城 岳 川 金 耀

(1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088； 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000)

嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)研究★

徐文城1岳 川2金 耀1

(1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088； 2.浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000)

針對嘉紹大橋運營環(huán)境和特殊的結構形式，研發(fā)了結構安全監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了橋梁環(huán)境參數(shù)及結構響應的整體實時監(jiān)測，橋梁結構主要動靜力指標的有效識別和安全評估。

橋梁，安全評估，響應監(jiān)測，傳感器

0 引言

嘉紹大橋是跨越錢塘江連接嘉興和紹興兩地的一座特大型橋梁，其處于杭州灣經濟帶的中部，總長10.137 km。嘉紹大橋主橋采用主跨428 m的六塔四索面分幅鋼箱梁斜拉橋，跨中設置剛性鉸。具體橋跨布置為70+200+5×428+200+70=2 680 m。嘉紹大橋主航道橋結構受力復雜，構造新穎，運營期管養(yǎng)難度大。因此，為了滿足特大型橋梁的管養(yǎng)需求，實時掌控大橋的營運狀況和內力狀態(tài)，有必要采用現(xiàn)代化、智能化、信息化手段進行大橋運營期的安全監(jiān)管。

嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)是利用傳感測試技術、計算機信息技術、橋梁計算分析技術、風險管理技術、互聯(lián)網技術等最新技術研發(fā)構建的符合大橋運營環(huán)境和結構特殊性的“橋梁感知系統(tǒng)”[1，2]。系統(tǒng)實現(xiàn)了橋梁環(huán)境參數(shù)及結構響應的整體實時監(jiān)測，橋梁結構主要動靜力指標的有效識別和動態(tài)安全評估，為大橋的養(yǎng)護管理及安全運營提供了重要的技術支撐，提高了大橋的長期服役能力、延長了使用壽命。

1 嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

總體來說，嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下模塊：

1)傳感器部分。將所要測試的物理信號轉換為電信號。

2)數(shù)據采集與傳輸部分。實現(xiàn)電信號的采集并將采集的信號轉換為標準信號，從而實現(xiàn)在局域網內的傳輸。

3)數(shù)據處理與控制。將監(jiān)測信號進行處理，提取特征值，通過此模塊可以實現(xiàn)對采集參數(shù)的控制，如采集頻率等。

4)數(shù)據存儲模塊。對采集的監(jiān)測數(shù)據及相應的特征值數(shù)據進行存儲。

5)數(shù)據顯示及預警模塊。實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據的顯示并接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

1.2 監(jiān)測點位布置

嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)分為荷載源、結構靜動力響應兩大部分監(jiān)測內容[3]：主要包括測量風參數(shù)的風速風向監(jiān)測，環(huán)境溫濕度監(jiān)測及車輛載荷監(jiān)測；典型截面的應力監(jiān)測，主梁和索塔的振動監(jiān)測，索塔偏位監(jiān)測，主梁線型監(jiān)測及梁端位移監(jiān)測。

因此，傳感器部分中采用了風速儀、溫濕度儀、動態(tài)稱重系統(tǒng)、應變計、溫度計、加速度計、GPS、壓力變送器、位移計等。

1.3 系統(tǒng)組網

系統(tǒng)網絡共分為三個環(huán)網：1)視頻數(shù)據環(huán)網；2)左幅數(shù)據環(huán)網；3)右幅數(shù)據環(huán)網。系統(tǒng)網絡組成如圖2所示。數(shù)據傳輸部分由交換機構成網絡節(jié)點，光纖為傳輸介質。光纖鏈路將外場的采集設備串聯(lián)組成光纖數(shù)據冗余環(huán)網，保證了數(shù)據的可靠傳輸[4-6]。

1.4 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據采集軟件、數(shù)據處理軟件、數(shù)據存儲軟件、數(shù)據界面軟件等。數(shù)據采集軟件實現(xiàn)按照預先設定的采集標準實現(xiàn)數(shù)據的采集，并實現(xiàn)數(shù)據上傳至數(shù)據處理軟件，數(shù)據處理軟件實現(xiàn)數(shù)據的畸點剔除、數(shù)據的二次處理、特征值的提取。以上原始數(shù)據及處理后的數(shù)據均將存儲在數(shù)據儲存模塊中,數(shù)據界面軟件實現(xiàn)數(shù)據的顯示并實現(xiàn)人機交互。

2 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據的應用

截取一定的時間片段，對嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)采集的

數(shù)據進行實際分析，以確定和驗證系統(tǒng)的實際效用,如圖3～圖5所示。

從以上嘉紹大橋某特殊事件中的典型數(shù)據曲線分析可以得出:

1)嘉紹大橋紹興方向14時～15時車流量明顯減少，大橋紹興方向開始封閉，14時～15時車流量為大橋封閉前的車流量；嘉紹大橋紹興方向15時～16時車流量較上一小時顯著增加，大橋在此時間段內車輛開始放行，解除封閉。

2)較短時間內，橋上的荷載較平時稍微有所增加，很快便恢復到正常水平。

3)索力未見明顯增加或減小，表明車輛荷載同正常通行情況下相比無明顯增大。

3 結語

針對嘉紹大橋特殊的運營環(huán)境特點和結構形式，有針對性地研究了系統(tǒng)的架構、布點、組網及軟件，從而設計并實現(xiàn)了嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)，經過系統(tǒng)運行表明，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足大橋管養(yǎng)需求。嘉紹大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據能反映出大橋的實際荷載響應，實現(xiàn)了對橋梁的安全評估。

[1] Ou J. Some Recent Advances of Intelligent Health Monitoring Systems for Civil Infrastructures in Mainland China[A].proceedings of the Proceeding of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure[C].Tokyo, Japan,2003.

[2] H Wenzel.Health Monitoring of Bridges [M].New York:John Wiley & Sons,Ltd,2009.

[3] JT/T 1037—2016,公路橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程[S].

[4] 張啟福．應用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的分布式測控系統(tǒng)的研究[D].成都：西南交通大學碩士論文，2010.

[5] 張啟福,吳學杰,柴秀英．基于CAN總線的橋梁健康檢測系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術,2010(3)：98-100．

[6] 陳紅波.大型橋梁健康監(jiān)測分布式數(shù)據采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州理工大學碩士論文,2006.

Research of structural safety monitoring system for Jiashao Bridge★

Xu Wencheng1Yue Chuan2Jin Yao1

(1.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd,Beijing100088,China; (2.ZhejiangJiashaoCross-RiverBridgeInvestmentandDevelopmentCo.,Ltd,Shaoxing312000,China)

In view of the operating environment and the special structure of Jiashao Bridge, research and development structural safety monitoring system. And the environmental parameters and structural response of bridge is monitored real-timely. The main dynamic and static indexes of bridge structure is identified effectively and assessed safely.

bridge, safety evaluation, response monitoring, sensor

1009-6825(2017)20-0166-02

2017-04-19★：國際科技合作專項目(No.2015DFG82080)

徐文城(1987- )，男，碩士，工程師

U445.7

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