辽河大桥结构健康监测系统数据异常成因分析

2023-12-27刘志群

北方交通 2023年12期

刘志群

(辽宁省交通运输事业发展中心沈阳市 110005)

0 引言

结构健康监测技术已在我国公路长大桥梁上推广应用,为深入挖掘数据价值,充分发挥数据作用,桥梁运营单位相继开展监测数据的研究。研究中发现监测系统存在诸多“异常数据”,该类“异常数据”是指与产生原因相关性不强、数据发展趋势发生突然变化、对比前阶段数据曲线频率和波动幅度有较大差别或曲线波动周期发生较大差异的数据[1-2]。对该类数据的分析需要高度重视、分析过滤、检查核实、区别对待:部分数据是正常的系统反应,无需采取措施,比如主梁挠度监测数据曲线与温度监测数据曲线的“延迟”“平移”现象[3];部分数据是被监测设施性能衰减导致监测数据曲线“变形”,需要采取一些养护措施,比如伸缩缝位移监测数据因设施配件老化形成无规律曲线;部分数据是被监测设施故障,需要采取应急措施,比如索力监测数据因阻尼器失效出现“新波动周期”[4];部分数据是软件漏洞、硬件功能缺陷导致“误报警”[5],需更换监测设备或升级软件数据过滤功能,比如辽河大桥陆地主塔竖向加速度出现异常报警,而水中主塔相关监测数据正常。

1 系统介绍

辽河大桥结构健康监测系统建设以运营安全为核心、以实用可靠为宗旨、以服务养护为目标,实现状态合理评价、养护对症指导、影响快速研判、风险及时报警。系统设计中摒弃大而全的思路,在确保先进性的前提下以实用为出发点,充分考虑大桥自身的环境特点、结构特点、运营特点、运营危险性以及养护管理需求,合理设计总体架构与监测内容,大桥养护决策与安全报警信息的制定与发布也全面考虑大桥自身特点的需求,将服务养护与运营安全作为终极目标。

系统总体架构包括四个结构功能层:数据采集层、数据管理层、评估决策层、应用服务层。其中,数据采集层为底层结构,包括传感器子系统、采集传输子系统;数据管理层和评估决策层为中间层,前者包括数据处理子系统、数据存储子系统和数据分析子系统,后者包括安全报警子系统、辅助决策子系统和报告报表管理子系统;应用服务层为顶层结构,包括用户界面子系统。

系统综合考虑桥梁结构受力特点、桥梁工作环境、大桥养护管理需求以及桥梁危险源等多方面因素,结合当前健康监测系统现状和桥梁技术状况,根据现行标准、规范等相关要求,设置环境监测项:桥址区环境温湿度、主梁内温湿度、索塔锚固区温湿度;作用监测项:车辆荷载、风况(桥面风速风向、塔顶风速风向)、结构温度、地震动;响应监测项:位移(主梁挠度及线形、支座位移、梁端纵向位移、塔梁空间变形)、应变(主梁关键截面应变、索塔关键截面应变)、斜拉索索力、振动(主梁竖向振动、主梁横向振动、塔顶水平双向振动、斜拉索振动)、转角(梁端水平转角、梁端竖向转角)。

在优化系统总体架构与监测内容的同时,充分考虑桥址区域环境特点,基于低温环境是我国北方桥梁健康监测系统普遍面临的现实问题,并且低温作用会造成对传感器、采集设备、传输设备等性能和耐久性影响,降低数据的有效性和系统的使用寿命,在系统建设中优化完善低温环境下的设备选型策略和设备性能保持策略,形成低温环境下健康监测系统整体的性能保持技术。

2 监测系统数据异常成因

2.1 温湿度计数据异常

根据现行规范要求,斜拉桥箱梁和主塔内部都会设置温湿度传感器。箱梁内温湿度数据异常是高概率事件。天气变化是首要因素,天气状况突变会引起此项数据加速变化。反应延迟普遍存在,夏季突然降雨不会让数据立即产生变化,水汽蒸发、空气导入、设备感应需要有一个时间过程,延迟的时间因气温变化速度与幅度、空气流通及热传导等不同。供电也是引起温湿度异常的因素之一,断电导致除湿机不工作(除湿机与健康监测系统电源不一致),空间温湿度会有明显变化。除湿机故障会影响监测数据,箱梁内除湿机有多台,当某一台出现故障停止工作或工作效率降低,会导致局部区域的温湿度变化。水密门封闭不好也会导致上述问题,养护作业人员进出箱梁,水密门关闭不好或未关闭,同时,大气温湿度与箱梁内温湿度有明显差异,导致受影响区域的温湿度计数据波动。箱梁内有多个穿线孔,因穿线孔出现渗漏水现象(辽河大桥钢箱梁与穿线管材质不同,受温差影响,一定时间后结合部会出现焊缝开裂,降水通过裂缝渗入),也会导致附近区域的湿度变化。辽河大桥主跨跨中主梁内湿度环境较为稳定,监测数据波动较小,周期性明显,主梁外湿度受日照、雨水等作用,监测数据波动剧烈,主梁内外湿度监测数据见图1。

图1 主梁内外湿度监测数据

2.2 斜拉索索力监测数据异常

针对在役斜拉桥,其拉索索力通常基于频率法原理传感器进行监测,拉索异常振动会导致索力监测数据明显变化,异常振动产生的原因主要有三种:一是阻尼器失效,粘滞阻尼器漏油、拉杆阻尼器拉杆松动或断损、阻尼器与拉索结合处握裹不良、阻尼器冲程不足“卡死”等都会导致阻尼器失效或降效,进而表现出监测数据突变;二是外部激励作用,如脉动风谱所引起的随机振动和车辆事故或物品碰撞等机械剐蹭,该类异常振动需要现场检查确认、采取对应措施;三是超重车辆通过。超重车辆偷跑经过时,监测数据显示竖向加速度振幅明显变大,再比对同侧拉索监测数据,发现监测数据有共性变化。如图2所示,辽河大桥边跨上游最长索监测数据部分数据存在较大突变与波动,该类数据异常主要由风荷载等外部激励作用造成。

图2 索力监测数据异常

2.3 支座位移计数据异常

支座位移计主要有两个作用:一是长期对支座的行程进行监测,通过监测数据分析、判断支座是否接近自然寿命。支座摩阻力的变化会反映到支座行程上,通过位移计数据监测发现支座行程的异常,进而检查评估支座的寿命。例如滑板损坏,摩擦系数变大,磨阻力激增,支座行程会明显变小;二是通过支座位移计数据的变化,可以判断桥面是否存在交通拥堵或支座是否变形等情况。支座位移受温度变化和活载冲击产生变化,当支座发生“卡死”现象的时候也会出现数据异常。“卡死”的原因一般有交通拥堵导致磨阻力加大和支座偏心两种。如图3所示,为支座位移数据存在短暂水平线型,可见随温度等荷载作用,墩梁相对位移所产生的支座变形存在短暂的摩阻力累积现象。

图3 支座位移监测数据

养护检查发现支座有异响(某桥曾发生过此类事件),大概率是摩擦产生的。支座安装错位、大风扭力导致支座轻微受损变形等会导致支座偏心,支座防尘效果不好、有异物夹入、润滑剂缺失或性能衰变导致摩擦系数加大,都会导致支座滑动时产生异响。上述现象发生后,需采取适当养护措施予以处置。

2.4 伸缩缝位移监测

伸缩缝受重车通过时候产生的冲击荷载,以及受温度影响会产生行程变化。伸缩缝的寿命可以通过系统实现监测、分析判断。首先通过相关性分析,桥梁两端伸缩缝位移变化应该是正相关的,如果出现异常,就要分析是哪一端出现问题,通过与历史数据对比,找到出现问题的那道伸缩缝。对异常的伸缩缝进行表观检查,检查组件外形变化、牢固程度、老化、近期变形发展状况等,分析它的性能变化趋势,可初步判断他的使用寿命,针对性地采取维修或者构配件更换,恢复其正常运行状态。