智能监测系统在某斜拉桥健康监测中的应用研究

谭雪芹

摘要：桥梁健康监测的智能化、实时化对于桥梁尤其是大型桥梁的健康安全评价起到了较大的促进作用。基于斜拉桥-甘竹溪特大桥的健康状况及评价要求，文章对于监测内容进行了详细分析，然后对于实现监测内容的集成方案进行了详细分析，最后针对系统集成方案从中心数据库、不同子系统和软件集成方面进行了详细的介绍，本文研究对于未来斜拉桥的智能健康监测系统的设计和运营提供一定的理论和工程应用，对于智能健康监测系统的推广起到了一定的促进作用。

【关键词】斜拉桥；健康监测；智能监测系统；应用研究

鉴于桥梁在全寿命运行周期范围内，受到环境、交通荷载、温度荷载和其他各种荷载的作用影响，使得桥梁结构材料性能发生部分退化，造成疲劳效应积累，甚至造成结构破坏的严重事故，从而造成结构抗力降低，对于结构的正常安全服役造成较大影响，甚至影响结构安全。针对桥梁服役状况的健康监测，即在桥梁结构关键位置布置传感器，实现桥梁主要构件的自动化监测，实施获得桥梁结构承担的荷载和相应响应信息，结合环境因子、荷载和结构静动力响应，通过综合分析即可了解结构的安全状态，对于桥梁服役状态进行评价和对于危险状态进行预警分析，实现桥梁结构的实时在线分析，对于工程未来的养护、维修和管理提供一定的指导状态。查阅当前文献，对于对于桥梁结构状态的评价多采取挠度、应力检测，监测数据相对单一，无法实现桥梁结构状态的全面了解，因此本文分析了甘竹溪特大桥的工程概况和技术状况，并针对当前检测情况进行了现场监测的必要性分析，然后对于项目工程的监测内容进行了针对性分析，并对于智能监测系统的集成方案进行了详细分析，最后从系统集成方案的实现从中心数据库、子数据库和软件集成技术方面进行了详细描述，本文研究对于运营期的桥梁的养护和结构安全评价提供必要的技术支持。

1.工程概况及技术状况分析

1.1工程概况

甘竹溪特大桥为跨越甘竹溪的一座特大型斜拉桥，其跨径布置为（50 +115 +210）m公路-I级，桥面六车道布置，总宽38.7m。通航等级为内河Ⅳ级航道，桥梁一跨过河，主墩落在河滩上，水中不存在墩结构，桥下通航净宽150.0 m，净高8.0 m。

1.2结构技术概况

查阅设计资料，项目工程结构主要技术状况如下所述：

1.2.1主梁构造。主梁结构为预应力砼箱梁，混凝土标号为C55，箱梁为单箱三室结构，中心线处梁高2.8m，高跨比为1：80，高宽比1：13.82，宽跨比1：5.43。

1.2.2塔构造。桥梁主塔为竖向双柱结构，且其端截面为矩形；斜拉索固定在塔壁中心，塔顶锚固区由环形预应力钢绞线组成；主塔总高度为116.542 m，高跨比为1：2.07。

1.2.3斜拉索构造。本产品为PE（FD）7-139-PES（FD）7-265规格双HDPE电缆，保护低应力半平行热浸镀锌电缆。这座桥上有66对缆索。标准的纵向梁电缆间距是6m，锚孔部分的跨度是减少到3m，塔上的标准垂直电缆间距是2m，斜拉桥平面平行，两架电缆之间的横向间距是36.3m。

2. 针对性监测内容分析

根据甘竹溪特大桥安全监测系统功能定位，结合甘竹溪特大桥的桥梁概况和技术现状，对于桥梁的健康安全监测内容如下：

2.1防船撞预警

甘竹溪特大桥单跨跨越甘竹溪河道，水中无墩柱结构，不存在桥墩防撞需求，通航标准为内河IV级，桥下通航净宽150.0m，净高8.0m，满足《内河通航标准》要求。

2.2主梁挠度及基础不均匀沉降

主梁挠度及基础沉降能够直观的反映大桥的工作状态及适用性，较大的变形一定程度上影响行车的安全性，桥梁结构异常变形可能导致桥梁结构的受力不利，且通过监测变形可以了解桥梁是否处于带损伤工作状态，是评估桥梁健康状态的重要指标。

2.3结构应力

除了结构体系引起高应力区域外，本桥梁构造特点在相应部位出现应力集中现象；同时长期交通荷载和环境动荷载的作用下结构的疲劳问题尤显突出，应对直接承受动荷载作用和关键受力构件的疲劳性能予以重点关注。

2.4环境温度

温度，尤其是截面温度梯度，对大跨度桥梁结构的变形和应力状态有很大的影响。由于大型桥梁结构各部分材料、尺寸和结构形式的不同，环境温度和日照的变化将导致整个桥梁的温度分布复杂。

2.5结构动态特性

当结构整体性能发生变化时，其动态特征参数（如频率、振型等）也会随之变化，可作为结构健康状态的“指纹”。对于结构模态参数的技术分析，能够对于桥梁刚度和边界条件有充分的了解。

2.6索力

作为斜拉桥的主要传力构件，斜拉索起到承上启下的作用，对上承载主梁结构、铺装等荷载作用和汽车等活载作用，然后传递给主塔结构。

3.智能监测系统集成方案分析

3.1智能健康监测系统功能分析

根据实际桥梁情况和监测要求分析，智能健康监测系统包括智能传感器子系统、数据采集处理与传输子系统、损伤识别与模型修正子系统、安全评估子系统和数据管理子系统。对于智能健康监测系统而言，数据库系统是数据管理子系统的核心，且其储存的桥梁施工信息、几何信息、监测信息和结构数据分析是桥梁监测系统数据分析的核心，能够有限实现智能监测系统的数据管理功能，数据管理系统及其各子系统之间的关系如图1所示。

3.2健康監测系统集成方案分析

鉴于智能监测系统由许多子系统和实现子系统功能的软硬件组成，因此实现不同子系统之间的物理、逻辑和相关功能，实现信息资源的贡献、维护及管理的自动化，是系统集成实现的目的；关于系统集成，其目标如下：（1）实现对于不同子系统的控制和管理，同时实现对于子系统的界面管理，方便用户操作；（2）开放式数据结构，能够有效实现信息资源共享。系统集成方案为子系统建立统一的数据开放平台，供不同子系统自由选择平台内的数据，充分实现子系统的设计功能。

4.系统集成方案的软件实现

4.1中心数据库方案

鉴于中心数据库的建立主要是为了桥梁结构和状态信息的存储，作为桥梁监测系统的核心结构，需要满足以下功能：

有组织、动态存储桥梁结构和状态数据，供多用户访问；同时实现不同状态和不同部位数据共享、交叉访问，实现应用程序之间的相对独立和联合，同时对于网络上层与管理系统网络之间的连接作用得到充分发挥。

实现动态实时数据的快速存储，这是因为对于中心数据库的数据状态，均随着监测对象动态变化而发生变化。

作为一个平台，中心数据库需要实现不同功能模块数据传输、交换和共享。

4.2各子系统及其软件方案

4.2.1数据采集子系统及其软件。鉴于健康监测系统能够实现实时监测需求，因此在采集数存在异常时，系统需要实现调用和触动相关模块工作的作用，因此数据采集子系统需要能够触发其他软件，实现数据共享和实时分析。

当前，存在多种平台供数据采集软件应用。对于数据采集软件编程，从最初C语言、Visual Basic 和Visual C++语言，逐步发展到当前的可视化编程语言，成为当前领先的数据采集、监控和分析平台。本项目子系统软件开发平台选择LabWindows/LabVIEW。

4.2.2损伤识别、模型修正与结构安全评定子系统。建立智能监测系统的目的是为了实现桥梁结构的健康运营的实时评价和预警，对于未来桥梁结构的运营和维护提供基础数据，因此应针对所有监测数据进行分析，如桥梁结构承担的荷载和相应的响应信息进行分析。

利用MATLAB开发损伤识别软件，鉴于损伤数据的针对性，因此应提前建立桥梁损伤结构的数据库，将损伤识别结果提前储存于中心数据库。

针对结构的模型修正，可以分为基于全局采集信息的数据更新和基于局部数据的模型更新，通过进行数据库分析，可以得到结构的动力相应以及局部的应力响应结果。通过整体和局部的有限元修正，可以将计算结果与实测结果之间的误差降到最低，上述功能可以通过MIDAS、ANSYS和MATLAB等相关软件实现。

4.3软件集成技术

针对智能监测系统的软件集成，需要实现以下两个方面：一方面是系统间接口、调用和相关触发机制，另一方面则是软件与数据库实现相关的接口和通信功能。根据实际情况，设置一定的阈值可以实现MATLAB对于相关子程序的调用。当采集器采集到的信号值与阈值进行对比分析时，误差超过相关阈值时，则应调用MATLAB进行损伤的相关分析。

当识别结构产生损伤时，则调用有限元分析软件如ANSYS或MIDAS进行结构的承载能力分析，通过批处理方法执行相应的命令流，从而实现对于结构的模型修正分析。

关于不同子系统与数据库之间的通讯，可以通过调用MATLAB的数据工具箱实现。针对智能监测系统中的模态和损伤识别程序，可以从数据库中读取原始数据，通过与实时监测数据进行对比，从而实现对于桥梁健康状况的实时评价，相关通信流程如图2所示。

5.结束语

在建立桥梁结构安全的监测、诊断、评估和维护管理的智能健康监测系统的基础上，本文针对甘竹溪特大桥的技术状况，分析了智能监测系统的特点、工作機理和软件实现流程，实现了对于斜拉桥健康状况的实时在线监测。鉴于桥梁健康监测系统设计方面较为广泛，如结构分析、力学分析、传感器监测书、计算机通信和数据管理问题，目前虽然能够实现一定的功能，但对于传感器优化布置、结构状态识别、结构损伤和安全评估方面还有待进一步的研究，希望随着未来科学技术的进步，相关技术难题会进一步得到解决，对于桥梁的健康服役状况进行较为恰当的评价。

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