大跨徑混凝土橋梁健康監(jiān)測的智慧化管理★

林璋璋 張 奕

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310011; 2.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

橋梁作為承載交通的重要構(gòu)筑物，使用期長達(dá)幾十年、甚至上百年。環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等因素的耦合作用都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷，功能退化或失效，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞的嚴(yán)重事故。需要對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測，對(duì)危險(xiǎn)狀況及時(shí)預(yù)警，進(jìn)而及時(shí)組織養(yǎng)護(hù)維修，保障橋梁服役期間結(jié)構(gòu)的安全性。

傳統(tǒng)上，橋梁健康狀態(tài)的掌握依賴巡檢和專項(xiàng)荷載試驗(yàn)，相應(yīng)的，橋梁維修通常是根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和服役年限，按照排定的計(jì)劃開展[1]。存在時(shí)效性差、預(yù)見性不強(qiáng)、影響正常交通、持續(xù)投入費(fèi)用大等系列問題。近年來，對(duì)于特殊的重要橋梁，撓度和位移等參數(shù)逐步納入了在線的監(jiān)控范圍[2]。但是，整體看，橋梁健康監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息尚顯碎片化，直觀程度不夠，各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)尚缺少聯(lián)動(dòng)和相互驗(yàn)證，無法形成對(duì)橋梁健康狀態(tài)的整體判斷，也無法直接用于指導(dǎo)橋梁的管養(yǎng)作業(yè)。在數(shù)字化、智慧化時(shí)代，可以探索通過各種傳感、通訊、信息技術(shù)，運(yùn)用云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等工具，搭建智能監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)橋梁服役狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、感知、判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算、判斷、預(yù)警和應(yīng)急處置等。

本文以一座300 m跨鐵路混凝土斜拉橋?yàn)楣こ贪咐剿鳂蛄航】当O(jiān)測智慧化管理的實(shí)現(xiàn)途徑。

1 工程基本情況

該橋梁位于江海交匯處，夏季盛行海風(fēng)，濕大雨多，氣溫較高，年平均氣溫18.3 ℃，極端最高氣溫42.1 ℃，極端最低氣溫-4.8 ℃，屬臺(tái)風(fēng)重影響區(qū)，設(shè)計(jì)風(fēng)速達(dá)到33.8 m/s。橋梁結(jié)構(gòu)采用雙塔雙索面混凝土斜拉橋，荷載等級(jí)為單線ZKH活載，橋跨布置為(51+91+300+91+51)m，半漂浮體系。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁截面全寬13 m，橋塔采用鉆石型索塔，橋面以上索塔采用倒Y形，橋面以下塔柱內(nèi)縮為鉆石形。塔底以上索塔全高為118 m，梁頂以上塔高75 m，梁頂塔高與主跨比為1/4.0(結(jié)構(gòu)布置如圖1所示)。

2 關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的選定

混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、工后徐變大，為確保其健康運(yùn)營與管養(yǎng)，巡檢內(nèi)容應(yīng)需包括斜拉索、阻尼器、支座、伸縮縫等部件的工作狀態(tài)外，而監(jiān)測內(nèi)容除橋梁所處環(huán)境參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度場、列車通行量等外，需要重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括以下幾種。

2.1 斜拉索索力

對(duì)于斜拉橋索力的監(jiān)測，光纖光柵傳感是比較先進(jìn)的技術(shù)，具有信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、長期工作穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、不怕潮濕等優(yōu)點(diǎn),可以在室外各種氣候條件下長期可靠工作,特別適合于橋梁索力的長期監(jiān)測[2]。本項(xiàng)目采用中空式光纖光柵壓力環(huán)(錨索計(jì))在施工過程中預(yù)安裝于斜拉索錨端。

光纖光柵壓力環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)狀彈性體，在彈性體表面沿環(huán)向布設(shè)了若干個(gè)貼片式FBG(Fiber Grating Sensor)應(yīng)力傳感器，各傳感器間隔均等，傳感器的布設(shè)方向與環(huán)向彈性體的軸向保持一致；溫度傳感器與應(yīng)力傳感器同步布設(shè),確保處在同一溫度場下，一端固定,一端自由，保證其不受應(yīng)力影響。應(yīng)力和溫度傳感器通過光纖串聯(lián)后接到引線端子上，整個(gè)結(jié)構(gòu)用防水膠密封。

在使用中,將壓力環(huán)穿過斜拉索安裝在錨墊板和錨板之間,當(dāng)壓力環(huán)受壓后發(fā)生彈性變形，F(xiàn)BG應(yīng)力傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變形，F(xiàn)BG的中心波長發(fā)生漂移，在經(jīng)過溫度傳感器補(bǔ)償后，F(xiàn)BG中心波長的漂移量可以反映出作用在壓力環(huán)上的壓力大小,即壓力和漂移量呈現(xiàn)線性比例關(guān)系,測出FBG中心波長的漂移量，根據(jù)實(shí)際標(biāo)定的線性比例關(guān)系，就能夠測算出測力環(huán)的受力,即斜拉索的索力。

2.2 位移及變形

人工監(jiān)測橋梁位移及變形的方式存在耗時(shí)耗力、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)?；贕PS/BDS的監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲得橋梁的變形自動(dòng)化監(jiān)測，可有效提取橋面相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的三維位移。當(dāng)橋梁有列車通過時(shí)，鐵路重載作用將導(dǎo)致橋梁撓度顯著增加，因此，將監(jiān)測系統(tǒng)獲得的時(shí)域信號(hào)通過傅立葉變換獲得頻域信號(hào)后，可分析獲取恒載作用下以及恒活載作用下橋梁的變形數(shù)據(jù)。

為提高測量精度，開展基于衛(wèi)星觀測值的多路徑信號(hào)研究，利用多路徑信號(hào)的特性，分析觀測值的精度，剔除受多路徑效應(yīng)影響嚴(yán)重的觀測衛(wèi)星，同時(shí)剔除低仰角衛(wèi)星的觀測值。利用小波去噪技術(shù)去除候選衛(wèi)星的高頻隨機(jī)噪聲和多路徑信號(hào)，提高GPS/BDS組合變形監(jiān)測系統(tǒng)的精度。具體的監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

2.3 裂縫發(fā)展

混凝土表面的裂縫發(fā)展情況可以采用激光掃描法[3]和漏磁效應(yīng)法[4]進(jìn)行監(jiān)控。本項(xiàng)目采用漏磁效應(yīng)法，在計(jì)算所得的易開裂位置布設(shè)磁信號(hào)傳感器，通過自動(dòng)化磁信號(hào)分析判斷混凝土是否開裂，通過移動(dòng)掃描裂縫裝置，獲取并分析磁信號(hào)的分布特征，定位混凝土裂縫位置并計(jì)算描述出裂縫數(shù)量及形態(tài)。

漏磁效應(yīng)法的基本原理是通過移動(dòng)掃描模型梁表面附近的磁信號(hào)分布，分析切向和法向磁場分量分布、梯度、李薩如(切向—法向磁場)圖、Lipschitz指數(shù)等和裂縫寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于裂縫漏磁效應(yīng)建立裂縫寬度的磁信號(hào)表征方法。

3 智慧監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)路徑

智慧化監(jiān)控就是將橋梁的斜拉橋索力、關(guān)鍵部位的位移及變形以及裂縫發(fā)展情況的監(jiān)測結(jié)果采集并傳輸至云管理平臺(tái)，結(jié)合風(fēng)速、溫度等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，在云后臺(tái)利用有限元軟件、BIM技術(shù)以及系統(tǒng)識(shí)別方法，形成橋梁健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)判斷結(jié)果，為橋梁的使用單位、養(yǎng)護(hù)單位和監(jiān)管單位等終端用戶提供管養(yǎng)建議。

3.1 工作機(jī)理

根據(jù)索力檢測數(shù)據(jù)和疲勞損傷累積理論，計(jì)算得到斜拉索的疲勞壽命可靠度；根據(jù)混凝土徐變的發(fā)展規(guī)律和材料相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，利用有限元軟件計(jì)算橋梁線型的時(shí)程變化規(guī)律(有限元計(jì)算模型如圖4所示)，并將橋梁關(guān)鍵點(diǎn)位移及變形的實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判斷橋梁所處的結(jié)構(gòu)形態(tài)；通過有限元軟件定位在各個(gè)工況條件下橋梁結(jié)構(gòu)的易開裂位置，通過掃描裝置實(shí)際檢測裂縫發(fā)展情況。

3.2 云平臺(tái)的搭建

“云”概念是基于“云計(jì)算”技術(shù),實(shí)現(xiàn)各種終端設(shè)備之間的互聯(lián)互通。用戶享受的所有資源、所有應(yīng)用程序全部都由一個(gè)存儲(chǔ)和運(yùn)算能力超強(qiáng)的云端后臺(tái)來提供。橋梁監(jiān)測云平臺(tái)就是將各種檢測終端設(shè)備與具備強(qiáng)大計(jì)算能力的云端后臺(tái)處理器連接，同時(shí)為橋梁的使用單位、養(yǎng)護(hù)單位和監(jiān)管單位提供服務(wù)。

云平臺(tái)構(gòu)架分為數(shù)據(jù)采集層、算法層和應(yīng)用層[5]。數(shù)據(jù)采集層為實(shí)現(xiàn)各方監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)(環(huán)境數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、溫度等；結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如拉索應(yīng)力、跨中撓度等)的匯總，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)，并上傳至云端服務(wù)器。數(shù)據(jù)算法層為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)化、分類和存儲(chǔ)操作，提升數(shù)據(jù)合理性，并對(duì)采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘、比對(duì)，做出對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)應(yīng)用層為實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估與決策支持，通過模式識(shí)別、系統(tǒng)識(shí)別以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對(duì)橋梁的整體情況進(jìn)行評(píng)定[7]，并根據(jù)評(píng)定結(jié)果及時(shí)做出預(yù)警和處理建議。

3.3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建三維立體模型，具有直觀和清晰的顯著特點(diǎn)，它既是模型構(gòu)造方式的革新，又是一種管理理念的升級(jí)[8，9]。BIM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)控的智慧化管理中具備廣闊的應(yīng)用前景，本項(xiàng)目通過BIM軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)調(diào)用并導(dǎo)入到chart控件中，使得數(shù)據(jù)結(jié)果可以在三維模型里形象展示和精確定位，大幅度減少了判斷誤差和遺漏，提升了管養(yǎng)工作的效率。

4 結(jié)語

隨著信息化和科技化的迅猛發(fā)展，對(duì)橋梁服役期狀態(tài)的健康監(jiān)測和智慧化管理，已日益成為一個(gè)研究應(yīng)用熱點(diǎn)。運(yùn)用各種先進(jìn)的傳感技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁狀態(tài)，評(píng)估和預(yù)測橋梁的安全性、適用性和耐久性，可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)、維修和加固的智慧化管理，能夠提前預(yù)防重大事故的發(fā)生，減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，有效控制項(xiàng)目全壽命周期成本。