橋梁道路監(jiān)測管理系統(tǒng)

1、第一章 橋梁道路監(jiān)測管理系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)總體方案1.1.1 系統(tǒng)的總體方案1.1.1.1 系統(tǒng)建立的目的和意義危害橋梁正常承載的主要因素包括：（1）結構內(nèi)力狀態(tài)的改變（2）結構損傷（3）兩種因素綜合作用運營健康監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠?qū)ι鲜鲆蛩剡M行監(jiān)測，因此，健康監(jiān)測系統(tǒng)實施的目的是：（1）隨時掌握橋梁結構的內(nèi)力狀態(tài)及損傷情況（2）盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結構面臨的危險狀況（3）為橋梁結構的養(yǎng)護維修提供依據(jù)除了對結構運營狀態(tài)進行監(jiān)測外，對橋梁的日常管理養(yǎng)護等工作也納入綜合管理系統(tǒng)，以變實現(xiàn)：管養(yǎng)工作制度化、管養(yǎng)技術現(xiàn)代化、管養(yǎng)決策科學化。運營健康監(jiān)測和綜合管理系統(tǒng)實施的重要意義在于：（1）能夠隨時掌握橋梁結構的內(nèi)

2、力狀態(tài)及損傷情況（2）能夠在橋梁結構危險萌芽階段發(fā)出預警（3）對保障橋梁安全運營具有重要意義（4）能夠盡量長地延長橋梁的運營壽命（5）對降低橋梁總體運營成本具有顯著效果1.1.1.2 結構健康監(jiān)測系統(tǒng)建立的原則健康監(jiān)測系統(tǒng)的最主要目的就是發(fā)現(xiàn)可能導致結構破壞的病害情況，因此，健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立應遵循以下邏輯原則：（1）研究橋梁結構的各部分將可能面臨什么樣的病害？這些病害發(fā)生的概率是多少？這些病害將導致結構的局部破壞還是整體破壞？（2）研究結構構件的病害有什么表現(xiàn)？這些表現(xiàn)是否能夠為監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測？（3）研究選用何種傳感器來監(jiān)測結構安全？傳感器精度是否滿足安全預警的要求？傳感器布置位置是否恰當，

3、數(shù)量是否合理？（4）研究如何對監(jiān)測信號進行信號處理及分析？如何從監(jiān)測信號中提取與結構安全直接相關易于為管理人員所理解的結構安全信息或預警信息？從這些邏輯原則可以看出，如何定義結構可能遭遇的危險是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，我們稱這個過程為“結構危險性分析”1.1.1.3 結構危險性分析該系統(tǒng)通過危險性分析來確定監(jiān)測哪些構件及監(jiān)測方式的方法，避免了健康監(jiān)測系統(tǒng)中常見的目的性不強、針對性不明確的問題。所謂結構危險性分析就是系統(tǒng)地分析橋梁中各部分結構所面臨的危險、各項危險發(fā)生的概率、危險所導致后果嚴重程度以及各項危險的可監(jiān)測性等問題。廣雅大橋的主要結構構件包括：系桿、吊桿、主梁、拱肋、非通航孔橋和下部結

4、構。應根據(jù)這些構件的受力特點、材料特性、使用環(huán)境等對其進行充分的危險性分析才能夠確保健康監(jiān)測系統(tǒng)的針對性和實用性。危險性分析通常需要通過大量類似結構的調(diào)查并綜合考慮本工程的環(huán)境及受力特點同時結合必要的結構分析計算才能夠得到比較可靠的結論。通過結構危險性分析我們可以非常明確我們需要監(jiān)測那些構件、這些構件的重點監(jiān)測部位、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測頻率等。健康監(jiān)測的監(jiān)測手段大體可以分為：力學指標監(jiān)測，損傷直接檢測(包括人工目視巡檢及無損監(jiān)測)兩種手段。 在指定各構件采用的監(jiān)測手段一般應綜合考慮危險性的程度、監(jiān)測的經(jīng)濟性和有效性等問題。健康監(jiān)測的監(jiān)測手段大體可以分為：傳感器在線監(jiān)測，人工巡檢(包括人工目視巡檢)兩

5、種手段；一般而言傳感器在線監(jiān)測具有連續(xù)把握監(jiān)測對象的特點，但其經(jīng)濟代價大，且對諸如鋼材銹蝕、混凝土開裂等病害難以監(jiān)測到；人工定期巡檢能夠比較容易發(fā)現(xiàn)結構的早期病害造成的外觀變化，且一次性投入相對較小，但其不具有連續(xù)及實時性。1.1.1.3.1 吊桿的危險性分析及監(jiān)測策略吊桿銹蝕斷絲是該橋的主要病害，其斷絲隱蔽性強，應考慮對其進行監(jiān)測。吊桿結構危險性分析的主要結論是： （1）大范圍的吊桿斷絲將導致主梁的危險，應對吊桿的索力進行監(jiān)測；（2）局部吊桿的斷絲甚至整根破壞不會導致結構的整體危險，通過人工目視定期檢查吊桿PE及錨具并結合部分吊桿的索力監(jiān)測等是較為經(jīng)濟可行的方案；（3）從把握主梁內(nèi)力的角度出

6、發(fā)應對部分吊桿進行索力監(jiān)測。1.1.1.3.2 主梁的危險性分析及監(jiān)測策略本橋的加勁梁采用格子梁，其直接承受車輛荷載且為吊桿（拉索）體系柔性支承。因此，對其安全狀態(tài)的把握不僅在于病害的監(jiān)測，還在于其內(nèi)力狀態(tài)演變的監(jiān)測。主梁恒載內(nèi)力的演變主要來源以下幾個方面：（1）主梁的變形；（2）吊桿剛度（索力）的變化；（3）基礎的沉降。主梁結構危險性分析的主要結論是： （1）主梁內(nèi)力狀態(tài)的改變將有可能導致主梁的整體破壞，應加強對其的監(jiān)測；（2）主梁在由于內(nèi)力狀態(tài)改變而發(fā)生危險前會產(chǎn)生顯著恒載變形，可以通過變形的監(jiān)測并輔助吊桿索力的監(jiān)測來進一步確定及明確原因。（3）主梁局部病害的監(jiān)測可以考慮采用人工目視巡檢及

7、人工無損監(jiān)測設備檢查的方式進行。1.1.1.3.3 非通航孔的危險性分析及監(jiān)測策略非通航孔橋采用預應力混凝土連續(xù)梁，其病害主要來源于混凝土的劣化、基礎沉降、預應力體系的病害等。上述病害均屬于緩慢發(fā)生過程且均伴隨較為明顯的外觀變化，因此，引橋的監(jiān)測將采用人工定期目視巡檢的方式進行。1.1.1.3.4 下部結構的危險性分析及監(jiān)測策略本橋下部結構主要是基礎沉降帶來的危害，因此，可以通過人工定期沉降觀測就可以避免此類病害的發(fā)生。1.1.1.3.5 非主要結構的危險性分析及監(jiān)測策略本橋的非主要結構的監(jiān)測主要包括收縮縫、支座、路面等。伸縮縫的破壞設置堵塞可能會導致結構內(nèi)力狀態(tài)的改變，但考慮到收縮縫破壞、堵

8、塞一般不足以導致其它結構的破壞且能夠比較容易通過人工目視巡檢來加以檢查，因此，不對其進行傳感器監(jiān)測。本橋支座病害一般情況下不足以導致結構其它部位的破壞，只有當支座縱向位移受到意外限制時可能導致主梁、橋墩的開裂甚至破壞。因此，對支座可以通過人工巡檢加以檢查。路面的病害屬于局部問題，對其只需通過人工巡檢加以檢查即可。1.1.1.4 系統(tǒng)建立的總體思路(a)采用傳感器在線監(jiān)測與人工巡檢的方案；(b)傳感器系統(tǒng)側重于結構總體內(nèi)力狀態(tài)的把握；(c)人工巡檢側重于局部損傷的探明；(d)利用綜合評估系統(tǒng)將二者結合起來；(e)各項監(jiān)測參數(shù)必須進行較為完善的后期處理才能夠用于評估結構安全狀態(tài)。圖1.1.1 健康

9、監(jiān)測系統(tǒng)總體思路1.1.2 系統(tǒng)集成及流程的方案1.1.2.1 系統(tǒng)集成該方案的總體系統(tǒng)集成框圖如圖1.2.1所示。圖1.2.1 運營監(jiān)測和綜合管理系統(tǒng)集成總體框架圖在上述系統(tǒng)總體框架中各部分的主要工作內(nèi)容及關聯(lián)關系分述如下：1傳感器子系統(tǒng)完成應變、結構溫度、索力、幾何變形環(huán)境等參數(shù)的參數(shù)采集工作。2數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負責傳感器信號的采集、調(diào)理、預處理、傳輸?shù)取?數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)將采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進行預處理后提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。4由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)共同構成了橋梁智能健康監(jiān)測中的信息自動采集系統(tǒng)。5結構健康評估子系統(tǒng)主要對獲取的各類信息進行相應的

10、信息處理（包括進行有模型的數(shù)據(jù)分析與和無模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計）從而獲得結構健康的信息，并且將這些信息以直觀的形式向橋梁的管理者提供。結構健康評估子系統(tǒng)包括：結構狀態(tài)與損傷識別模塊，結構健康綜合評估模塊。結構狀態(tài)與損傷識別模塊主要完成基于靜力測試數(shù)據(jù)的內(nèi)力狀態(tài)的識別、基于靜力測試數(shù)據(jù)的損傷識別以及基于動力測試數(shù)據(jù)的損傷識別等工作。結構健康綜合評估模塊主要根據(jù)監(jiān)測信息（來源于信息自動采集系統(tǒng)）以及巡檢信息（來源于養(yǎng)護管理系統(tǒng)）并結合狀態(tài)與損傷識別模塊的分析工作來對結構進行綜合的健康狀態(tài)的評估并對危險狀態(tài)進行預警。6中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：由于結構健康安全監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)信息的種類繁多，有多個

11、系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)信息，同時要支持分布式的處理與訪問，也要支持多并發(fā)用戶的操作，并且數(shù)據(jù)的安全性極為重要。通過建立系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，統(tǒng)一管理與組織數(shù)據(jù)信息，給系統(tǒng)的維護與管理提供便利，也為各應用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲平臺，方便開發(fā)與使用。7戶界面子系統(tǒng)：安全監(jiān)測系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)及功能模塊組成，若各子系統(tǒng)及功能模塊均采用各自的用戶界面系統(tǒng)，用戶操作就極為不便，因此必須建立統(tǒng)一的用戶界面系統(tǒng)。用戶界面子系統(tǒng)主要實現(xiàn)諸如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數(shù)據(jù)展示、提供系統(tǒng)的遠程訪問接口、向用戶提供報告等功能。8人工巡檢養(yǎng)護管理子系統(tǒng)：由于用于總體結構狀態(tài)判別的方法無法發(fā)現(xiàn)一些局部損傷

12、，為了盡早檢測到基于傳感器監(jiān)測識別系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的局部損傷并適時加以維修，根據(jù)前面的系統(tǒng)設計思路，將巡檢養(yǎng)護管理子系統(tǒng)與常規(guī)健康監(jiān)測系統(tǒng)融合，可形成更為實用的橋梁智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)本項目的情況，應專門編制針對本橋的人工巡檢養(yǎng)護手冊。1.2 2傳感器子系統(tǒng)1.2.1 傳感器布設原則和總體方案分析1.2.1.1 索力監(jiān)測傳感器的選擇拉索構件索力長期在線監(jiān)測的傳感器必須滿足以下基本要求。（1）在螺母及錨墊板具別一定粗糙度及不平整的情況下保證足夠的精度；（2）在螺母與傳感器接觸部分尺寸加工存在較大誤差時保證足夠的精度；（3）在承受偏心荷載時保證足夠的精度；（4）高度盡量小，重量盡量輕，安裝方便；（5

13、）結構堅固耐久，不對主體結構安全產(chǎn)生影響；（6）能夠長期可靠工作；（7）溫度漂移、時間漂移小；（8）便于更換。通常能夠進行拉索索力長期在線監(jiān)測的傳感器類型很多，大抵有圖2.1.1所示的幾種類型。圖2.1.1 索力長期在線測試設備分類附著式光纖傳感器從90年代開始在加拿大采用，其原理將鎧裝光纖當成一根鋼絲來制造斜拉索，一根拉索內(nèi)包含若干光纖，拉索索力改變時光纖感受其應變量從而獲得測試索力。這種方法的優(yōu)點在于光纖的長期穩(wěn)定性好，缺點在于制造工藝復雜，無法更換，采集設備價格昂貴，且目前尚未見其精度的相關資料，因此，本次方案不予考慮。磁彈式索力儀國內(nèi)從2000年開始應用，典型的有早期采用直流激勵的南京

14、長江二橋和后期采用交流激勵的湛江海灣橋。磁彈式傳感器的主要原理是導磁材料在不同應力水平下其磁通量是不同的。磁彈式索力儀需要數(shù)百伏的高壓交流激勵、采集設備也非常復雜昂貴、采集速度也較低。另外，在考察過程中發(fā)現(xiàn)，當我們將磁彈儀從標定位置滑移到索體的另外一個位置時，標定結果發(fā)生了至少5%的變化，根據(jù)磁彈儀的測試原理，其讀數(shù)受拉索截面積影響最大，因此，這種變化可能是由于拉索截面積不均勻造成。實際工程中這種現(xiàn)象不可避免。因此，我們認為磁彈儀的使用必須在其安裝結束后進行現(xiàn)場標定，即使如此，其誤差也可能超過5%。壓力環(huán)式傳感器式指將傳感器參與吊桿或系桿的承力，并對其承力進行測試來反映吊桿或系桿的索力。其通常

15、是安裝在錨固螺母與錨墊板之間，承受與吊桿或系桿相同的荷載。壓力環(huán)式傳感器由于是直接對彈性體進行應變測試，而彈性體可以在出廠前進行熱處理、時效處理等以消除其殘余應力從而增加其穩(wěn)定性，因此，壓力環(huán)式傳感器精度可以做得很高（優(yōu)于0.1）。電阻應變式壓力環(huán)采用電阻應變片作為應變敏感元件，其大約有數(shù)十年的使用歷史，目前計量標定機構換用電子式標準測力計大部分采用這種形式的壓力環(huán)，應用的典型橋梁有南京長江三橋。電阻應變片已經(jīng)有近50年的應用實踐，近十余年應變片在封裝、應變膠及保護膠等方面進行了大量的改進，使得其過去長期穩(wěn)定性不好的缺點不復存在。根據(jù)日本TOKYOSOKKI公司的試驗，在進行試驗的13年內(nèi)其始

16、終保持非常好的穩(wěn)定性（優(yōu)于0.3）而且沒有隨時間發(fā)散的趨勢；在南京三橋安裝的電阻應變式壓力環(huán)也在安裝的2年多時間內(nèi)保持了非常好的穩(wěn)定性。另外，由于電阻應變片具有很高的形狀靈活性，因此其便于傳感器的定制，經(jīng)過優(yōu)化的電阻應變式壓力環(huán)專門其長期穩(wěn)定性、抗力學干擾能力（偏心、接觸面影響等）、溫度補償?shù)确矫婢哂休^為明顯的優(yōu)勢。表2.1.1 各類傳感器在豎向預應力測試中的應用對比類型參考綜合誤差綜合費用抗力學干擾能力標定代表性大約壽命時間漂移可更換性附著式光纖高強不詳30年小不可磁彈儀35%較高強差20年較小好電阻應變式0.51%低較強好20年小較好光纖應變式13%高一般較好30年小較好鋼弦應變式25%

17、較高差差20年小困難油壓傳感器35%低較強較好10年較小困難首選纜索體系索力監(jiān)測方案應該是電阻應變式壓力環(huán)。1.2.1.2 結構振動傳感器的選擇結構振動特性的監(jiān)測通過安裝振動傳感器進行監(jiān)測，地震和船撞是橋梁運營期間重要的災害性荷載源，是必須監(jiān)測的內(nèi)容。對其進行監(jiān)測一方面可以及時對災害可能造成的損傷進行分析并進行檢查，另外一方面可以及時啟動預警系統(tǒng)及時限制車輛通過受損結構以避免災害的發(fā)生。1.2.1.3 空氣溫濕度的監(jiān)測通過空氣溫濕度的監(jiān)測，可以分析環(huán)境溫度對結構靜力響應的影響，以使基于靜力測試的識別方法能更準確地反映結構基準狀態(tài)；可以分析環(huán)境溫度對振動特性的影響，以使基于振動測試的損傷檢測方法

18、能更準確；可以預測可能出現(xiàn)的極限環(huán)境溫度荷載。環(huán)境溫濕度監(jiān)測采用溫濕度傳感器進行。選用溫濕度傳感器為連續(xù)模擬信號輸出。1.2.1.4 風荷載的監(jiān)測從結構危險性分析的結果看，風荷載的監(jiān)測對于研究本橋的氣動性能，改進或增加減振隔振設施等具有重要意義。另外，風荷載的監(jiān)測還可以用于大風作用下的交通控制。監(jiān)測采用超聲波風速儀或者螺旋槳式風速儀。選用超聲波風速儀最高采樣頻率可達60Hz，選用機械風速儀持續(xù)輸出模擬信號。一般情況下超聲波風速儀采樣頻率采用10Hz，機械風速儀采樣周期采用60s。1.2.2 傳感器布設方案傳感器布設方案見圖2.2.1。1.2.3 傳感器自身安全性的識別及對策傳感器在使用過程中可

19、能會面臨各種故障。這些故障包括：無法工作，受到強電場的干擾，溫度漂移過大，時間漂移過大等等。因此，健康監(jiān)測系統(tǒng)應能夠?qū)ι鲜銮闆r進行識別并發(fā)出傳感器故障報警，并在傳感器選型及安裝過程中避免上述故障的發(fā)生。傳感器無法工作通常由于傳感器本身質(zhì)量，安裝工藝不過關，人為破壞或遭遇雷擊或其它強電脈沖。解決這個問題的主要辦法是選擇質(zhì)量可靠的傳感器生產(chǎn)廠家，嚴格按照規(guī)定的安裝工藝施工，安裝傳感器的機械保護裝置及防雷設備等。某些傳感器輸出微弱信號容易受到強電場干擾，應對這些傳感器加裝屏蔽保護裝置。在選擇傳感器的時候同時應重復注意傳感器的溫度漂移及時間漂移，并應采購傳感器樣品進行上述兩項測試。另外，在數(shù)據(jù)采集子系

20、統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中利用傳感器的統(tǒng)計信息以及各傳感器的相關信息能夠分析得到傳感器的部分故障情況。本方案采用的所有傳感器除錨索計外均為表面安裝，對拉索傳感器則采用表2.3.1的方案進行更換表2.3.1 拉索傳感器更換流程（未繪制撐腳）步驟示意圖說明受力部位1安裝千斤頂，張拉千斤頂至螺母初動，即實際索力千斤頂2退掉螺母，安裝哈佛型螺母千斤頂3千斤頂卸壓，取掉千斤頂，取出螺母哈佛型螺母4安裝拉索傳感器，安裝傳感器墊環(huán)，套上螺母哈佛型螺母5安裝千斤頂，張拉千斤頂至螺母初動，即實際索力千斤頂6拆除哈佛型螺母，轉動螺母到位千斤頂7千斤頂卸壓，取掉千斤頂，更換工作完成螺母備注說明中“螺母”指實際安裝于些拉索

21、上的螺母，“哈佛型螺母”指更換過程中用于轉換受力部位的特制螺母。1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng) 該方案采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的光纖環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，具有如下顯著特點：（1）采用分布式測控技術并結合集中式數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢，在智能調(diào)理器上采用了數(shù)據(jù)緩沖技術解決了分布式采集速度慢的問題；（2）通過網(wǎng)絡調(diào)理器（網(wǎng)絡節(jié)點）將傳感器模擬信號轉換為數(shù)字信號后進行傳輸，避免了模擬信號長距離傳輸易受干擾的問題。（3）每個傳感器均與智能調(diào)理器連接后形成網(wǎng)絡節(jié)點，將傳感器型號調(diào)理成為符合國際標準協(xié)議的數(shù)字型號；（4）利用以太網(wǎng)供電技術實現(xiàn)傳感器到數(shù)據(jù)采集站的通訊及供電；（5）將各數(shù)據(jù)采集站與控制中心采集服務器連接成為測控局域

22、網(wǎng)，采用FDDI自愈雙環(huán)光纖網(wǎng)絡。圖3.1.1 基于光纖環(huán)網(wǎng)的采集系統(tǒng)示意圖液壓撓度儀軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器交換機軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器交換機軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器交換機軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器交換機軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器交換機軸重

23、檢測片調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器雙光口管理型交換機GPS調(diào)理器交換機調(diào)理器調(diào)理器調(diào)理器調(diào)理器溫濕度儀液壓撓度儀液壓撓度儀液壓撓度儀光纖光纖圖3.1.2 給予網(wǎng)絡調(diào)理器的采集站組網(wǎng)示意圖1.4 數(shù)據(jù)處理及控制子系統(tǒng)采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)對其進行預處理方能夠提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。其主要實現(xiàn)以下功能：（1）數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目刂疲唬?）數(shù)據(jù)庫的建立及相關功能的實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的存儲、格式化、查詢、可視化等工作；（3）數(shù)據(jù)優(yōu)劣的評估與優(yōu)良數(shù)據(jù)的抽??；（4）建立數(shù)據(jù)處理與控制的用戶界面，響應用戶對已存數(shù)據(jù)的查詢請求及采集數(shù)據(jù)的控制請求。（5）建立與Internet的連接。（6）自動進行

24、數(shù)據(jù)存儲與刪除操作，保留分析后的數(shù)據(jù)及部分重要的原始數(shù)據(jù)，定期刪除不再使用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理與控制模塊總體構成見圖4.1。圖4.1 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)構成方案示意圖1.5 養(yǎng)護管理子系統(tǒng)在危險性分析中我們發(fā)現(xiàn)基于傳感器的自動采集系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)以下的損傷：鋼材的早期銹蝕、疲勞裂縫、混凝土的劣化以及螺栓的斷裂等；為了進行這類損傷的監(jiān)測，應采用人工巡檢的方式。通過建立一個完善的人工巡檢子系統(tǒng)可以達到以下目的：l 能夠早于其它子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)結構的早期損傷，將維護或維修的費用降至最低l 能夠發(fā)現(xiàn)其它子系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的損傷，避免結構發(fā)生危險l 能夠?qū)p傷的發(fā)展趨勢進行對比分析及預測，評估損傷的危險程度l 能夠根據(jù)損

25、傷的程度及發(fā)展趨勢制定經(jīng)濟合理的維護及維修計劃l 能夠向用戶提供損傷情況及損傷發(fā)展的報告人工巡檢子系統(tǒng)作為采集子系統(tǒng)的必要的補充和完善需要具備以下幾個方面的功能：l 對銹蝕、裂縫、砼的劣化以及螺栓破壞的人工目測巡檢及無損檢測l 損傷記錄l 損傷趨勢分析l 維護及維修計劃l 損傷報告生成1.6 結構狀態(tài)識別子系統(tǒng)橋梁結構的安全狀態(tài)直接由其內(nèi)力狀態(tài)和損傷狀態(tài)決定，因此，狀態(tài)識別及損失識別子系統(tǒng)是進行結構安全狀態(tài)評估的基礎，是橋梁結構安全綜合管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。橋梁狀態(tài)識別子系統(tǒng)的中心任務是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的結構響應信息轉化為反映結構安全狀態(tài)的信息，在此基礎上對安全狀態(tài)信息進行綜合評價即可獲得

26、結構在特定時刻的安全程度及其健康狀況，為橋梁結構的運營及維護決策提高科學依據(jù)。通俗地講，結構狀態(tài)識別子系統(tǒng)起到了“解碼器”的作用，即對結構響應信息進行“解碼”，將其轉化為明確的結構安全狀態(tài)信息。在缺乏結構狀態(tài)和損傷識別子系統(tǒng)的情況下，無論結構響應監(jiān)測信息多么全面和準確，都無法根據(jù)這些信息把握結構的健康狀態(tài)，因而無法進行科學的運營和養(yǎng)護決策。因此，對于橋梁結構運營監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)而言，狀態(tài)識別子系統(tǒng)至關重要，是評價健康監(jiān)測系統(tǒng)設計是否成功、對結構運營維護能否提供依據(jù)的重要指標之一。由于結構狀態(tài)識別和損傷識別是由結構響應反演結構狀態(tài)的問題，屬于系統(tǒng)辨識問題。該類問題理論上非常復雜，對于大型復雜結構

27、更是如此。因此，應在深入系統(tǒng)地研究其相關理論的基礎上，結合結構的力學特性及損傷特性確定適當?shù)淖R別解決方案，即確定科學的結構響應監(jiān)測信息“解碼”機制。為基于結構響應信息實現(xiàn)結構狀態(tài)的準確識別，首先根據(jù)結構狀態(tài)識別的功能要求將結構狀態(tài)識別子系統(tǒng)分為內(nèi)力狀態(tài)識別模塊和損傷識別模塊兩個模塊。其中，內(nèi)力狀態(tài)識別模塊側重于結構內(nèi)力狀態(tài)的反演；而損傷識別模塊則側重于根據(jù)結構動靜力響應獲得結構的整體損傷信息。兩個模塊相輔相成，聯(lián)合應用兩個模塊的信息即可把握結構的整體安全狀況。其中，內(nèi)力狀態(tài)識別模塊主要識別結構的恒載內(nèi)力狀態(tài)。結構的內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷狀態(tài)識別均基于結構的基準有限元模型進行，基準有限元模型的建立是

28、關鍵。首先根據(jù)結構的施工監(jiān)控等信息建立結構的初始有限元模型，隨著結構健康監(jiān)測的運營，不斷引入結構的響應信息及結構的損傷信息修正有限元模型，獲得能夠充分反映結構自身特性的有限元基準模型。由于結構的功能退化、結構損傷、結構內(nèi)力重分布等因素，結構有限元基準模型是時變模型。當前時刻的有限元基準模型是基于前一時刻的結構內(nèi)力狀態(tài)識別結果及結構損傷監(jiān)測信息得到，基于當前時刻的結構響應信息和前一時刻有限元基準模型進行當前時刻的內(nèi)力狀態(tài)損傷狀態(tài)識別，根據(jù)兩種信息建立新的有限元基準模型。上述流程如圖6.1所示。圖6.1 結構損傷識別和內(nèi)力狀態(tài)識別流程示意圖由于結構的動靜力測試數(shù)據(jù)不可避免地含有觀測噪聲，因此不確定

29、性是結構內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷狀態(tài)識別的本質(zhì)屬性。為避免結構內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷識別的誤判問題，引入概率參數(shù)結構理論和蒙特卡羅隨機有限元理論，將正則化方法引入?yún)?shù)識別過程抑制其不適定性，采用蒙特卡羅法獲得待識別參數(shù)的統(tǒng)計特征。首先采用概率參數(shù)結構的思想建立有限元基準模型，在此基礎上基于概率可靠度理論實現(xiàn)結構狀態(tài)即損傷狀態(tài)的自動識別。結構初始概率參數(shù)結構根據(jù)結構的施工監(jiān)控及由成橋荷載試驗獲得的結構響應信息獲得。概率參數(shù)基準有限元模型建立的流程圖如圖6.2所示。在概率參數(shù)結構的建立過程中，利用了蒙特卡羅法的基本思想，即根據(jù)結構響應監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差水平對當前結構的實測響應進行多次攝動，基于每次攝動結果對結構

30、的各關鍵參數(shù)進行參數(shù)識別，對于結構的每個關鍵參數(shù)均能夠獲得多個識別結果。對所有的參數(shù)識別結果進行統(tǒng)計分析，即可獲得其主要的統(tǒng)計特征。這一統(tǒng)計特征中不僅充分反映的結構的力學特性，而且充分體現(xiàn)了觀測誤差的影響。依據(jù)識別結果，即可建立概率參數(shù)結構。以此流程為藍本，可以建立任意時刻的概率參數(shù)結構模型。基于該模型，根據(jù)概率統(tǒng)計理論的基本思想進行結構的內(nèi)力狀態(tài)和損傷狀態(tài)識別，可以有效避免由觀測噪聲、模型不確定性引起的誤判問題。圖6.2 概率參數(shù)基準有限元模型建立的流程圖1.7 結構安全綜合評估子系統(tǒng)1.7.1 綜合評估子系統(tǒng)總體方案該方案提出了綜合人工巡檢與傳感器監(jiān)測的綜合評估子系統(tǒng)，其設計總體方案參見圖7.1.1。該子系統(tǒng)除了涉及對結構進行安全性、適用性以及耐久性三個方面的評估和利用外，增加了對人工巡檢結果的評估過程，以實現(xiàn)基于對自動監(jiān)測信息和人工巡檢信息的綜合利用。圖7.1.1 綜合評估子系統(tǒng)總體方案圖1.8 用戶界面子系統(tǒng) 1.8.1 用戶界面主應用框架主應用框架提供了一個基礎應用框架，實現(xiàn)對功能模塊的初始化和調(diào)用管理，動態(tài)加載擴展模塊并實現(xiàn)擴展模塊的用戶界面部分的調(diào)用接口，主應用框架提供基礎的GIS模型加載和管理功能，并通過工具欄、菜單、右鍵菜單等用戶界面實現(xiàn)擴展模塊