橋梁變形監(jiān)測現(xiàn)狀總結

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橋梁變形監(jiān)測現(xiàn)狀總結1

　　為了更多地掌握橋梁在建設、運營期間的實時狀態(tài)信息，以便對橋梁進行及時的維修、養(yǎng)護與評估，保障橋梁的安全施工與運營。近幾十年來，國內、外各大、中型橋梁上均安裝了不同壽命階段的監(jiān)測系統(tǒng)。根據不同壽命階段的監(jiān)測目的與科研目標，設置不同的監(jiān)測內容與形式。下列是國內、外部分橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)情況介紹：

　　(1)國外橋梁監(jiān)測系統(tǒng)介紹

　　美國的Ironton-Russell懸索橋修建于1922年，該橋的跨徑布置為117m+241m+117m。該橋在長期運營中有過多次維修加固記錄，并在上世紀七十年代對該橋的梁板處進行加固。為對橋梁的健康狀況做出客觀評價，使其更好地發(fā)揮交通功能，相關單位在橋上安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，用來實時監(jiān)控各部分的應力變化[25]。此后，該橋梁一直安全運營至今。直至2016年相關單位才將該橋拆除。美國Vincent Thomas懸索橋建成于64年。該橋梁跨徑布置為154m+457m+154m。在1980年，相關部門對該橋進行了抗震性能部分的加固改造，在橋梁的重要位置安裝了26個加速度傳感器，用于監(jiān)測橋梁的動力響應變化。在過去的幾十年中，該系統(tǒng)工作性能良好。已成功采集了數(shù)次地震數(shù)據(如1987年Whittier-Narrows地震和1994年的加州北嶺地震) [26]，為該橋的加固設計及這一地區(qū)建筑的抗震研究做出了重大貢獻。意大利的Colle Isarco Viaduct混凝土連續(xù)梁橋修建于1969年，該橋的主梁跨度為163m。在1999年，該橋建立了完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要布置應變計、位移計和溫度計等各類傳感設備共計300個左右。通過對橋址環(huán)境溫度和主梁及橋墩等重要截面的應變和撓度進行監(jiān)測，保障橋梁的安全運營[27-28]。美國的Commodore Barry鋼懸臂橋修建于1974年，該橋的中跨跨徑為548m，兩邊跨跨徑為274m。在成橋后的運營階段，橋上安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。主要監(jiān)測在環(huán)境影響下橋梁各部分的靜(動)態(tài)響應。監(jiān)測項目主要包括：橋面溫度、應變和加速度，橋墩墩頂傾角、位移以及影響橋梁整體的風速、溫濕度等。并在橋梁各主要部件安裝攝像頭，對整體橋梁進行實時的圖像監(jiān)控[29]。希臘的Halkis橋是一座主跨為215m的懸索橋，該橋將埃維亞島與希臘本土相連接。在1994年，在橋上安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測橋梁在地震作用下的動力響應。該系統(tǒng)主要包括3個SSA-23加速度記錄儀，36個FBA-11加速度計和4個FBA-13加速度計。通過GPS接收系統(tǒng)能夠快速接收相應信息，并對其緊急處理，保證橋梁的安全運營。英國北愛爾蘭地區(qū)的Foyle連續(xù)鋼箱梁橋建成于1984年，跨徑布置144m+233m+144m。該橋設置了全壽命階段(從施工期到運營期)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。在建設期間通過部分檢測儀器與埋設的監(jiān)測傳感器設備對橋梁的施工進行輔助校驗。在運營期間通過構建的監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁主梁的撓度變化、溫度影響、內部應變等因素進行實時監(jiān)測，分析其對橋梁正常運行的影響，保障成橋后橋梁的安全使用運行[30]。建成于1984年的珍島大橋是韓國當前最大的雙塔斜拉橋。2009年6月，美國伊利諾伊大學香檳分校、日本東京大學和韓國科學院共同參與部署了該橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測項目包括：索力監(jiān)測、橋塔傾斜、主梁的應力等方面，通過布置70個監(jiān)測節(jié)點，113個傳感器設備。構建的龐大無線傳感器監(jiān)測網絡，為大橋的安全運營提供重要保障[31]。泰國曼谷的Rama IX斜拉橋建成于1987年，其跨徑布置為166m+450m+166m。該橋于1995年安裝了結構整體性與安全性在線警報系統(tǒng)(On-line Alerting of Structural Integrity and Safety System,OASIS)。該系統(tǒng)的.監(jiān)測設備主要包括加速度計、風速計和溫度計等傳感器。通過橋梁管理部門的控制平臺可對橋梁各部分構件的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控與預警。美國佛羅里達州的Sunshine Skyway斜拉橋建成于1987年。該橋主跨440m，設置的健康監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁從建設期到運營期這兩階段橋梁整體位移、內部應力、溫度和外部環(huán)境溫度進行監(jiān)測，確保了橋梁建設階段的施工安全。并通過運營階段安裝的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對橋梁的位移等變化進行實時監(jiān)測，確保大橋的正常運營[32]。 1997年建成的加拿大Confedraion橋是世界上著名的預應力混凝土箱梁橋，該橋全長，跨徑布置為165m+43×250m+165m。針對該橋設計了一套完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)。其設置加速度計、傾斜儀、應變計、水壓力計和溫度計等各類不同功能的傳感器共計740個。通過對大氣溫度、風力、地震等自然環(huán)境與海水侵蝕等因素影響下橋梁的靜(動)力響應變化進行實時監(jiān)測，對橋梁的實時運營提供安全監(jiān)測[33]。英國Flintshire單塔斜拉橋建于1998年，跨徑布置為194m+100m。在該橋的施工-運營全壽命階段，相關單位布置了一套長期的監(jiān)測系統(tǒng)，對其全過程中的各類工作狀態(tài)(預應力張拉、應力、拉索索力、加速度響應)與環(huán)境影響(風速監(jiān)測、溫度等)進行實時監(jiān)測。

　　1998年建成的丹麥Great Belt East懸索橋，跨徑布置為535m+1624m+525m。在運營一段時間后，為更好地保障橋梁的安全使用，橋梁管理部門委托COWI公司為該橋建立完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對橋梁重要部位(主箱梁、主纜、吊桿和索夾)的應力、橋面加速度、橋墩整體的傾角、混凝土應變、下部基礎結構的鋼筋腐蝕與周圍的土質監(jiān)測、環(huán)境的溫濕度監(jiān)測等方面，系統(tǒng)布置的傳感器數(shù)量多達1000個[35-36][34]。

　　建成于1998年4月的日本明石海峽(Akashi-Kaikyo)大橋，跨徑布置為960m+1990m+960m，是目前世界上最長的懸索橋。該橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感設備主要包括：風速計、地震儀、加速度計、GPS全球定位系統(tǒng)、位移計以及溫度傳感器等。通過布置各類傳感器測量主梁各斷面位移、調質阻尼器(TMD)位移和氣候環(huán)境溫度、風力等影響因素，對橋梁進行實時監(jiān)測[37]。哥倫比亞的Pereira-Dosquebradas斜拉橋成橋通車于1998年，其主橋的跨徑布置為。該橋在成橋運營一段時間后便建立了完整的靜(動)力健康監(jiān)測系統(tǒng)，布置了位移計、溫度計、加速度計、腐蝕計和傾角儀等各類傳感設備共計300余個，但由于監(jiān)測系統(tǒng)的維護不當，目前已出現(xiàn)較多傳感設備損壞、遺失等問題[38]。

　　韓國的Seohae雙塔斜拉橋[39]主跨為470m，Yongjong懸索橋[40]跨徑布置為125m+300m+125m，這兩座橋梁均建成于2000年。Gwangan懸索橋的跨徑布置為200m+500m+200m，建成于2003年。為保障這三座橋梁的正常運營，管理單位在橋梁上布設了健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測橋梁的靜(動)力響應和風速、溫濕度等環(huán)境影響。Seohae橋和Yongjong橋安裝的各類傳感器數(shù)量分別為120和380個。Gwangan橋通過遠程圖像處理技術，測量橋梁動態(tài)響應對橋梁進行實時監(jiān)測[41]。

　　表列出了國外部分已建成橋梁上布置的監(jiān)測系統(tǒng)。

　　表國外部分已建成橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)

　　(2)國內橋梁監(jiān)測系統(tǒng)介紹

　　中國香港的青馬(Tsing Ma)懸索橋、汲水門(Kap Shui Mun)斜拉橋和汀九(Ting Kau)斜拉橋，均于1997年建成通車。這三座橋梁上安裝了“風和結構健康監(jiān)測系統(tǒng)”(WASHMS) [42]。通過建設期間在結構內部埋設傳感器設備(應變計、溫度傳感器和動態(tài)地磅等)和運營期間在橋梁表面粘貼監(jiān)測儀器(加速度計、位移計、風速儀、GPS全橋衛(wèi)星定位系統(tǒng)等)的方式，共布置各類采集設備774個[43]，構建完整的WASHM系統(tǒng)，對橋梁使用壽命期間的實時狀況進行動態(tài)監(jiān)測。同時這一監(jiān)測系統(tǒng)也是目前世界上規(guī)模、投資最大的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。位于江蘇省境內的江陰長江大橋橫跨江陰市與靖江市之間，該橋通車于1999年，是長江上重要的跨江大橋之一，對推動周邊區(qū)域經濟發(fā)展具有重要作用。在成橋后不久，(2)國內橋梁監(jiān)測系統(tǒng)介紹中國香港的青馬(Tsing Ma)懸索橋、汲水門(Kap Shui Mun)斜拉橋和汀九(Ting Kau)斜拉橋，均于1997年建成通車。這三座橋梁上安裝了“風和結構健康監(jiān)測系統(tǒng)”(WASHMS) [42]。通過建設期間在結構內部埋設傳感器設備(應變計、溫度傳感器和動態(tài)地磅等)和運營期間在橋梁表面粘貼監(jiān)測儀器(加速度計、位移計、風速儀、GPS全橋衛(wèi)星定位系統(tǒng)等)的方式，共布置各類采集設備774個[43]，構建完整的WASHM系統(tǒng)，對橋梁使用壽命期間的實時狀況進行動態(tài)監(jiān)測。同時這一監(jiān)測系統(tǒng)也是目前世界上規(guī)模、投資最大的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。

　　位于中國江蘇的南京長江大橋建成于1968年。該橋是由我國自主設計、建造的首座公、鐵路兩用特大橋梁，其跨徑布置為9×160 m +128m。該橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)中布置了應變計、加速度計、拾振器、地震儀、溫度計、風速風向儀和動態(tài)地秤等多種傳感設備以及各類信號處理設備。通過這一系統(tǒng)主要監(jiān)測橋梁主梁、橋墩等各部分構件的動力特性響應和橋址環(huán)境變化，為大橋的安全運營和后期的評估、維修養(yǎng)護工作提供重要依據[45-46]。 中國廣東的湛江海灣大橋于2006年12月30日正式通車投入使用，該橋為鋼與砼混合梁斜拉橋結構。其橋跨布置為60m+120m+480m+120m+60m，橋梁全長840m。在橋梁上設置的健康監(jiān)測系統(tǒng)對其斜拉索拉力、橋塔箱梁應變、傾斜以及橋梁整體動力性能、主梁位移變化和橋址環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。通過相應的數(shù)據采集和處理系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據進行及時有效的分析，對橋梁的異常動態(tài)行為進行預警與識別，保障了橋梁的安全通行[47]。建成于2008年的蘇通大橋位于中國的江蘇省地區(qū)，其主跨長達1088m，是目前世界上第二跨度的斜拉橋。由于該橋規(guī)模宏大，且具有重要的交通樞紐與戰(zhàn)略意義，在建設初期便布置、預留了相應的測點與傳感通道。并由江蘇交科院、香港理工大學和東南大學共同合作，進行了“蘇通大橋結構的健康監(jiān)測于安全評估系統(tǒng)設計”的研究項目，以此為基礎在橋梁上設置了風速儀、溫濕度計、位移傳感器、加速度計、傾斜儀、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和各類應變計等傳感器共計1440個。通過極其龐大及完善的監(jiān)測體系，為蘇通大橋的安全運營停工了重要保障[48]。位于江蘇省蕪湖市的蕪湖長江大橋于2000年9月通車，該橋梁主體由斜拉橋部分和連續(xù)鋼桁架橋部分組成。主橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)啟用于2003年，由于該橋結構復雜，布置監(jiān)測系統(tǒng)難度較高，通過石家莊鐵道大學的“蕪湖長江大橋健康監(jiān)測、安全評估及報警系統(tǒng)的研究”這一研究課題，在該橋上布置了大量的監(jiān)測傳感設備(位移計、加速度計、動態(tài)應力測點、溫度測點、行車安全測試型號列車軸重檢測儀等) 。通過監(jiān)測數(shù)據的處理對橋梁當前的實時狀態(tài)進行評價，掌握橋梁結構的整體性能，為橋上安全行車提供技術保障[49]。

　　表列出了國內部分已建成橋梁上布置的監(jiān)測系統(tǒng)。

　　表國內部分已建成橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)

　　(3)國內、外橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器布置

　　由此可以看出，越來越多的橋梁通過布置監(jiān)測系統(tǒng)，為橋梁的施工、運營安全提供保障。表列出了國內、外部分橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的傳感設備布置情況。

　　表國內、外部分橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設備布置情況

橋梁變形監(jiān)測現(xiàn)狀總結2

　　基于優(yōu)化算法的橋梁多參數(shù)綜合評估預警算法，主要包括以下步驟。

　　1．參數(shù)選擇

　　用于選擇項目級道路基礎設施結構物、技術參數(shù)、被處置目標作為養(yǎng)護決策計算的分析對象，組合成基于時間序列的數(shù)據矩陣，可對已有隨時間變化的參數(shù)數(shù)據或用戶導入參數(shù)數(shù)據，如橋梁結構的技術狀況(包括整體技術狀況、部件技術狀況和構件技術狀況)、裂縫、應變、撓度、風速、溫度、濕度、塔偏、索力等，進行分組選擇，并組合成若干個矩陣組開展綜合評估預警的分析。

　　2．閾值區(qū)間預設

　　對各參數(shù)數(shù)據設立預警閾值區(qū)間，并根據現(xiàn)有規(guī)范，預先建立各參數(shù)的預警閾值區(qū)間。各參數(shù)預警閾值區(qū)間根據不同類型可分為一級至四級和用戶目標預警閾值。所述的預警一級、二級、三級、四級，在預警系統(tǒng)中分別用紅、橙、黃、藍顏色標志當前參數(shù)狀態(tài)。

　　（1）對于技術狀況，其預警閾值區(qū)間可依據與技術狀況百分值的差值，定義為一級至四級和用戶目標技術狀況預警閾值；所述的用戶目標技術狀況預警閾值，可定義為這四個級別中的某一目標級，以下各參數(shù)的目標預警閾值含義與此相同。一般情況下，閾值與技術狀況百分值的差值越小越好。

　�。�2）對于裂縫，其預警閾值區(qū)間可按照結構構件表面產生的裂縫寬度，劃分為一至四級和用戶目標預警裂縫寬度閾值。

　　（3）對于應變，其預警閾值區(qū)間可按照結構構件截面應力狀態(tài)及材料本構關系建立一至四級和用戶目標預警應變閾值。

　�。�4）對于撓度，其預警閾值區(qū)間可按照結構構件變形限值變劃分為一至四級和用戶目標預警撓度閾值。

　�。�5）對于溫度，其預警閾值區(qū)間可按照溫度變化范圍變劃分為一至四級和用戶目標預警溫度閾值。

　　（6）對于濕度，其預警閾值區(qū)間可按照濕度變化范圍變劃分為一至四級和用戶目標預警濕度閾值。

　�。�7）對于風速，其預警閾值區(qū)間可按照濕度變化范圍變劃分為一至四級和用戶目標預警濕度閾值。

　　具體參數(shù)應根據現(xiàn)場橋梁健康監(jiān)測指標確定。

　　3．數(shù)據分類

　　適用于對分析對象歷史數(shù)據進行分類統(tǒng)計，依據現(xiàn)有基礎設施性能評價規(guī)范或標準設定的性能參數(shù)區(qū)間范圍，得到分類數(shù)據矩陣。

　　4．數(shù)據預處理

　　用于對基于時間序列的歷史數(shù)據或者分類后數(shù)據，采用積分變換等方法進行數(shù)據預處理，可作為參數(shù)預測、參數(shù)狀態(tài)預判和可靠度計算的中間過程。預處理的方法可以包括直接卷積法、重疊-相加卷積法、重疊存儲卷積法、中值濾波法等。其中卷積法根據窗口基數(shù)、低通窗數(shù)、總窗口數(shù)和濾波系數(shù)，使用Hamming窗來設計具有線性相位的n階低通FIR濾波器計算，可有效地處理將時間長度很長的信號離散卷積為原始數(shù)據的近似信號，還可用于多源異構數(shù)據轉換為相同數(shù)據長度。

　　5．參數(shù)預測

　　設定基于時間序列的預測時間步周期，并選擇合適的方法，對歷史數(shù)據所選的分析對象矩陣或分類數(shù)據矩陣進行預測分析，得到數(shù)據行的維度為預測時間步周期及預測之前分析矩陣組成的數(shù)據矩陣。在預測方法方面，當預測期系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)保持不變、系統(tǒng)狀態(tài)轉移概率矩陣不隨時間變化且狀態(tài)轉移僅受前一狀態(tài)影響時，可以采用灰色預測法、神經網絡法、馬爾可夫法、徑向基預測法、廣義回歸網絡法等，對所選分析對象的歷史數(shù)據加以預測分析，并通過殘差分析判斷預測結果的合理性。

　　6．參數(shù)狀態(tài)預判

　　根據預設的預警閾值區(qū)間，對歷史數(shù)據、預處理后數(shù)據和預測后數(shù)據進行參數(shù)狀態(tài)的初步判斷。

　　7．參數(shù)之間分項權重計算/重要性排序計算

　　用于對已選分析對象參數(shù)數(shù)量、預測時間步周期的各結構物的不同參數(shù)之間的分項權重系數(shù)進行計算，并可對各結構物的各參數(shù)進行重要性排序。經對多源異構數(shù)據預處理之后，具有相同數(shù)據長度的橋梁結構不同監(jiān)測參數(shù)或者預警區(qū)間狀態(tài)矩陣，參數(shù)之間的分項權重/重要性排序方法有CRITIC法、均方差法、主成分分析法、熵權法等，其中主成分分析法是一種有效的權重計算方法。

　　8．參數(shù)相關性檢驗

　　通過計算不同參數(shù)之間的相關性，對參數(shù)之間是否相互影響和影響程度而進行的統(tǒng)計檢驗。參數(shù)相關性檢驗模塊，對變量之間是否相關以及相關程度如何所進行的統(tǒng)計檢驗，變量之間的相關程度用相關系數(shù)表征。當相關系數(shù)大于給定顯著性水平和一定自由度下的'相關系數(shù)臨界值時，表示變量之間在統(tǒng)計上存在相關關系。否則，兩者則無關聯(lián)。以溫度和撓度參數(shù)為例，采用相關性檢驗，發(fā)現(xiàn)二者參數(shù)之間存在較大的相關性。

　　9．體系可靠度計算

　　根據多源異構參數(shù)之間的權重計算系數(shù)、參數(shù)相關性檢驗情況和單參數(shù)可靠度計算情況，確定橋梁結構體系可靠度。

　　10．多參數(shù)體系預警終判

　　基于體系可靠度判定結果，判斷超出預定閾值范圍內的預警情況并做出最終預警判定。

　　結構健康監(jiān)測的綜合評價是最復雜的問題之一，亦為橋梁養(yǎng)護決策的難點。在今后的研究中尚需探討的內容包括：

　　第一，研究一種網絡級算法來評估橋梁維護優(yōu)先級的養(yǎng)護決策模型，其過程包括根據給定的預警閾值對參數(shù)指標進行數(shù)據分類，用有限元模型對初始狀態(tài)進行分類及概率分布，對參數(shù)指標加以預測分析，并完成養(yǎng)護優(yōu)化分析。采用貝葉斯和神經網絡方法對分析橋梁多參數(shù)指標的歷史概率分布進行統(tǒng)計和預測。

　　第二，重點圍繞長期監(jiān)測數(shù)據橋梁支座溫度場以及空間位置的相關性數(shù)學模型，研究橋梁使用性能退化規(guī)律，建立橋梁支座使用性能退化評估方法。

　　第三，構建基于環(huán)境條件、經濟效益、全生命周期的橋梁結構性能狀態(tài)災變規(guī)律的預警體系。

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