浅议桥梁结构健康监测系统

2011-08-15王兰王明

山西建筑 2011年17期

王兰王明

尽管(截止到2006年)我们国家现有桥梁已经达到了50万余座，但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是“被动式”的，也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护(检测和加固)。这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生，如近几年的重庆彩虹桥、宜宾小南门桥、苏州堰月桥以及辽宁盘锦的田庄台桥等塌桥事故。随着桥梁管理理念的发展和桥梁检测、健康监测以及评估方法的进步，使得变“被动式”的桥梁管理为“主动式”桥梁安全管理成为可能。

“主动式”的桥梁管理核心是建立桥梁维护管理制度，定期对桥梁进行检测(对重大桥梁安装桥梁结构健康监测系统，对其进行“实时检测”)，及时了解桥梁的安全状况，并采取相应的修理措施，避免安全事故的发生。

1 桥梁结构健康监测系统基本框架

一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个子系统:传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。

1.1 传感器系统

一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类:一类是监测桥梁荷载(系统输入)的传感器，一类是监测桥梁结构反应(系统输出)的传感器。

监测桥梁荷载的传感器包括以下几种:温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等;监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种:应变计、加速度计、GPS、倾角仪、位移计、锚索计等。

根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束，不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择，重点是传感器布点优化设计。

1.2 数据采集与传输系统

数据采集设备一般包括五种:1)通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，一般可针对具体的项目进行特殊设计。2)光纤光栅解调仪，光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类，对于桥梁监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用，采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。3)振弦采集仪，对于振弦原理设计的传感器必须用振弦采集设备，如锚索计等。4)GPS接收机，GPS数据采集由专门的系统设备完成，GPS天线通过同轴电缆连接至相应的GPS接收机。5)动态称重主机，WIM系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。

数据传输包括三个层次:1)从传感器到采集设备的局部传输网络;2)从采集设备到桥头交换机二级传输网络;3)从桥头交换机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。

1.3 数据处理与控制系统

在结构健康监测系统中，对系统监测数据的处理根据处理方式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。

数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采集仪上完成，包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS接收机、WIM称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心，监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。

经预处理后的数据实时的传输至监控中心，在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理，由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式，因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。

1.4 桥梁结构健康评估系统

桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括两个层次:一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害，并确定病害大致位置，辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全，是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴;第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估，为桥梁维护提供决策依据。

2 桥梁结构健康监测系统国内外应用现状

20世纪60年代以来，由于发达国家桥梁严重退化，安全事故不断发生和事故后果的严重性，工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统，美国从20世纪60年代起就开始使用桥梁管理系统，建成了大量的数据库，以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究，到90年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统，如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt和中国的江阴桥等。

中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS(Wind And Structural Health Monitoring System)，为便于集中管理，相关部门建立了一个整体监控中心，三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统，三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心统一进行，其各自的采集数据也在监控中心进行统一的数据处理和结构分析。昂船洲桥梁结构健康监测系统(SCB-WASHMS)也设计了专用的数据传输线路，将实时监测数据传送到青马控制区上述三个监测系统的监控中心。

近年来，我国的一些大型桥梁也设计安装了结构健康监测系统，如广东虎门大桥、重庆大佛寺桥、海口世纪大桥、南京三桥、江阴大桥和润扬长江大桥，以及苏通长江大桥结构健康监测系统等。与国外相比，我国的这些桥梁结构健康监测系统在工程规模、实施水平和系统功能的完善上存在着不小的差距，具体表现在以下四个方面:

1)这些所安装的监测系统不是按结构损伤识别的功能要求来设计的，对其关键内容，如传感器的布置、阻尼及非经典阻尼的测量、模态精度与损伤识别能力间的关系、采样率、结构的剩余承载力评定等基本上没有考虑，因而基本上没有进行结构损伤识别的能力。这些监测系统所采集的数据主要是各种荷载参数，虽然也量测了少量结构动静态应力和变形，但不符合损伤识别的要求。

2)到目前为止，虽然已经建成了一些监测系统，但尚未见到国内公开发表的实际桥梁安全监测系统的监测数据和对数据的分析结果，更未见到这些分析结果对结构设计的改进作用。

3)桥梁监测系统要求所有的传感器在数据采集上具有严格的时间同步，这样监测的数据才有分析比较的价值，而目前国内很多系统还没达到这种最基本的要求。

4)大多数桥梁监测系统设计都是根据桥梁竣工验收试验的内容设计的，基本没有原始的动力指纹测试内容。而没有原始的动力指纹测试就谈不上真正意义上的结构健康监测。

另一方面国内一些有实力的单位在桥梁健康监测方面也开展了基础性的科研工作，取得一系列重要成果如:1)国家攀登B项目“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”。2)国家重点基础研究发展规划(973)项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”中子课题“考虑功能蜕化的重大工程结构在灾害作用下破坏过程模拟与控制方法”(项目编号:2002CB412709)。3)中国香港青马、汀九、汲水门大桥风与结构健康监测系统(WASHMS)研究。这些新的研究成果可以用来指导新建的桥梁结构健康监测系统的设计和数据分析工作。