軌道交通大型提籃拱橋健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)設(shè)計

引 言

提籃拱橋作為全國首座軌道交通工程跨度最大的拱橋， 在特有的軌道交通列車荷載作用下，其振動特性將更加明顯， 因而提籃拱橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)需考慮其特有的軌道交通荷載以及身處的地理環(huán)境。為了保障橋梁的適用性、耐久性、完整性和安全性，需實時掌握橋梁的運營及健康狀況，項目主要建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，將常規(guī)的橋梁檢測數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與特有的軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行整合，實現(xiàn)橋梁的綜合安全評估，保障提籃拱橋的運營安全。

提籃拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)主要針對特有軌道交通環(huán)境下運營期間的結(jié)構(gòu)安全狀況，提出了一套健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和評估大橋的承載能力狀況、運營狀態(tài)和耐久能力等，預(yù)防意外發(fā)生。

1 工程概況

提籃拱橋樣本為寧波市軌道交通1 號線控制性節(jié)點橋梁。提籃拱橋位于高橋西站 - 高橋站區(qū)間，其主跨為 220 m，跨徑組合為（25 +220 +25）m，全長 270 m。拱肋平面內(nèi)矢跨比為 1/5，吊桿間距為 8 m，拱軸線矢高為 44 m。

與尋常橋梁不同的是該橋是軌道交通通行橋梁，具有過車時間段固定、列車經(jīng)過時間快等特點，因而遵循周期性疲勞規(guī)律等。基于軌道交通橋梁的特殊情況，采用光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有測試精度高、重復(fù)性和耐久性好、耐腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強等特點，能夠?qū)崟r反映列車荷載引起的變化，經(jīng)分析后得到實測荷載效應(yīng)規(guī)律，并結(jié)合有限元分析評價列車荷載對本橋安全、耐久性的影響。提籃拱橋橋型布置如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)總體功能概述

本提籃拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、Web 技術(shù)，將實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、在線預(yù)警、智能評估等功能進(jìn)行融合，以實現(xiàn)橋梁安全狀態(tài)的實時監(jiān)測及有效管控。

結(jié)合系統(tǒng)預(yù)警數(shù)據(jù)要求實時傳輸?shù)忍攸c，建立一個基于分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測及安全評估預(yù)警系統(tǒng)的主體框架，實現(xiàn)橋梁工程技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測技術(shù)、信息技術(shù)的結(jié)合與橋梁養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)，通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為提籃拱橋的維護(hù)管理決策者提供依據(jù)和指導(dǎo)。

結(jié)合本軌道交通提籃拱橋的結(jié)構(gòu)特點及監(jiān)測系統(tǒng)建立的總體思路，本系統(tǒng)分為四大模塊，具體功能劃分如圖 2 所示。

基于上述思路，在充分調(diào)研橋梁檢測評估報告基礎(chǔ)上， 結(jié)合橋梁的維修加固情況，本系統(tǒng)基于底層多指標(biāo)維度進(jìn)行信息綜合，智能預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)整體及局部構(gòu)件的安全狀態(tài)， 并輔助本提籃拱橋進(jìn)行維修維護(hù)等決策的制定。

3 本橋監(jiān)測項目及測點布置

根據(jù)本提籃拱橋特點，重點圍繞橋梁環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置內(nèi)力響應(yīng)、變形位移等方面，針對應(yīng)力、位移、撓度、加速度等參量進(jìn)行測點布置設(shè)計。結(jié)合本提籃拱橋環(huán)境特點、結(jié)構(gòu)受力特性、構(gòu)造特點和監(jiān)測重點，本項目監(jiān)測內(nèi)容包括以下幾項 ：

（1）橋墩傾斜監(jiān)測（傾斜儀）；

（2）主梁端位移監(jiān)測（位移計）；

（3）關(guān)鍵控制截面內(nèi)力及溫度監(jiān)測（光纖光柵應(yīng)變計、光纖光柵溫度計）；

（4）索力結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測（索力傳感器）；

（5）關(guān)鍵控制截面變形監(jiān)測（GPS）；

（6）主梁結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測（加速度傳感器）；

（7）橋墩沉降監(jiān)測（GPS）。

提籃拱橋監(jiān)測布置點共 95 個，監(jiān)測項目及監(jiān)測點概況見表 1 所列。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析模塊是實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測信號進(jìn)行有效辨識、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用的系統(tǒng)化過程。處理分析模塊需要能夠自動甄別數(shù)據(jù)的有效性，過濾異常干擾，確保數(shù)據(jù)可靠。數(shù)據(jù)處理分析主要功能模塊如圖 3 所示。

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析模塊可為進(jìn)一步進(jìn)行橋梁危險狀態(tài)識別與預(yù)警、橋梁健康與安全評估提供高效的數(shù)據(jù)支持與模型支持。

5 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與綜合評估

5.1 模塊功能概述

對本提籃拱橋監(jiān)測得到的各類信號值進(jìn)行自動化處理及挖掘分析，對環(huán)境荷載作用下的本提籃拱橋的安全狀態(tài)進(jìn)行異常判別、橋梁服役性能辨識、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估。結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與評估子系統(tǒng)需要具備以下功能 ： 

（1）結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計資料、既往監(jiān)測數(shù)據(jù)以及橋梁檢測數(shù)據(jù)通過模型修正建立本提籃拱橋運營期基準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)完善基準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，用于橋梁工作狀態(tài)分析和安全狀態(tài)評定 ； 

（2）在監(jiān)控中心內(nèi)實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù) ； 

（3）提供豐富的 3D 圖形化顯示界面，人機交互界面友好，顯示效果簡明、直觀 ； 

（4）對監(jiān)測獲取的各類信號及指標(biāo)進(jìn)行時域內(nèi)挖掘分析與趨勢預(yù)測 ； 

（5）具備針對本提籃拱橋的安全預(yù)警功能，給出結(jié)構(gòu)理論計算值或規(guī)范值，對運營期結(jié)構(gòu)性能退化和結(jié)構(gòu)安全性異常狀態(tài)及時進(jìn)行識別，實現(xiàn)提籃拱橋安全性在線分析及實時預(yù)警 ；

（6）結(jié)合本提籃拱橋基礎(chǔ)信息、施工監(jiān)控、荷載試驗等各類全生命期數(shù)據(jù)對本橋的運行狀態(tài)進(jìn)行智能評估 ； 

（7）充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評價、診斷、預(yù)測分析等，為橋梁運營階段的養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)支持 ； 

（8）在橋梁運營階段，每年提交一次監(jiān)測綜合評估報告，尤其在臺風(fēng)、地震等突發(fā)事件發(fā)生后，及時提交極端事件專題分析報告 ； 

（9）評估結(jié)果面向多級結(jié)構(gòu)管理人員，做到簡明、有效 ； 

（10）可根據(jù)評估結(jié)果自動提供維護(hù)決策建議 ；

（11）具備系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和報警功能，可在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感器系統(tǒng)的運行狀態(tài)，具有設(shè)備故障報警功能 ；

（12）具備遠(yuǎn)程信息發(fā)布與共享功能，擁有遠(yuǎn)程授權(quán)操控能力。

5.2 模塊劃分

根據(jù)該子系統(tǒng)的功能要求，將該子系統(tǒng)分為三個模塊，即數(shù)據(jù)處理分析模塊、橋梁安全預(yù)警模塊和橋梁安全評估模塊?？傮w模塊劃分如圖 4 所示。

5.3 用戶界面

根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求和方案構(gòu)建用戶界面網(wǎng)站，如 圖 5 所示。

通過用戶界面可以查詢傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且可以對單獨的監(jiān)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，如圖 6所示

6 結(jié) 語

本文針對提籃拱橋特有的軌道交通列車荷載作用結(jié)構(gòu)的安全狀況提出了一套健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)，并且形成了一個健康監(jiān)測網(wǎng)站，通過該健康監(jiān)測系統(tǒng)可以查詢橋梁健康狀態(tài)以及對其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于此類情況監(jiān)控本提籃拱橋運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)橋梁存在安全風(fēng)險隱患便主動預(yù)警，保障運營安全。