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中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
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中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
更新時(shí)間:2022-06-21 09:02
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項(xiàng)目背景

   某市業(yè)主計(jì)劃建立該區(qū)域的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),筆者根據(jù)該地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及需求對系統(tǒng)建設(shè)給出了自己的個(gè)人建議。

    根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況橋梁結(jié)構(gòu)的主要類型包括:

(1)簡支梁板橋

(2)連續(xù)梁板橋

(3)系桿拱橋

(4)閉合框架橋

   項(xiàng)目建設(shè)的需求是將健康監(jiān)測系統(tǒng)同橋梁數(shù)字化管養(yǎng)有機(jī)的結(jié)合,并同未來智慧化城市橋梁相對接。其主要功能模塊包括:數(shù)字化橋梁信息管理模塊、動態(tài)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測模塊、橋梁BIM模型、GIS地理信息系統(tǒng)模塊、橋梁健康評估模塊等部分組成。

     橋梁結(jié)構(gòu)受力形式除系桿拱橋外,其它橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)明確,監(jiān)測結(jié)構(gòu)主要參數(shù)相對較為簡單,主要為撓度和應(yīng)變,最關(guān)鍵的參數(shù)為撓度??紤]到典型路線重載的特點(diǎn),在重載路線應(yīng)增加動態(tài)稱重系統(tǒng)。此外考慮到典型橋梁病害主要包括耐久性病害、伸縮縫以及支座位移等,針對這些病害可以增設(shè)裂縫監(jiān)測、支座位移以及伸縮縫位移等監(jiān)測參數(shù)。

  監(jiān)測參數(shù)的選擇

    針對本項(xiàng)目的特點(diǎn),在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題才能架構(gòu)比較實(shí)用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)橋梁健康監(jiān)測參數(shù)如何選擇?

   橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的選擇對于系統(tǒng)至關(guān)重要,監(jiān)測參數(shù)分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)分析的需求首先要清楚某一監(jiān)測參數(shù)的類型,否則需要實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測的參數(shù)選擇靜態(tài)的設(shè)備則難以滿足要求。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)如何分析?

   監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)分析也是健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容,數(shù)據(jù)分析方法需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)分析的需要來確定。如對于風(fēng)速的監(jiān)測通常需要得出風(fēng)速的大小和風(fēng)向,有時(shí)需要分析風(fēng)玫瑰圖。而對于橋梁結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測的數(shù)據(jù)可能需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性如振型、頻率、阻尼比等,通常采用模態(tài)分析的方法來實(shí)現(xiàn)。

(3)系統(tǒng)建設(shè)模式如何選擇?

  目前國內(nèi)常用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的模式多采用建設(shè)移交的方法,由于移交后管理部門由于缺少專業(yè)人員對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù),系統(tǒng)建成幾年后往往陷于癱瘓,這也是系統(tǒng)受人詬病的主要原因。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)后期的維護(hù)也至關(guān)重要,因此筆者建議系統(tǒng)可以采用建設(shè)移交+運(yùn)維費(fèi)的模式,系統(tǒng)建成后由承包方對系統(tǒng)進(jìn)行長期維護(hù),建設(shè)方支付運(yùn)維費(fèi)。采用這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是通過承包方的專業(yè)技術(shù)服務(wù)能保證系統(tǒng)的運(yùn)營,在系統(tǒng)局部出現(xiàn)問題可以及時(shí)進(jìn)行處理。

(4)橋梁健康如何評估?

   橋梁結(jié)構(gòu)的健康評估是系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo),為橋梁結(jié)構(gòu)健康運(yùn)營保駕護(hù)航。而國內(nèi)健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝在橋梁結(jié)構(gòu)健康評估方面還存在一定的功能不足。對于本項(xiàng)目而言,橋梁結(jié)構(gòu)形式比較簡單、受力明確,可以通過安裝高精度傳感器對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,將監(jiān)測數(shù)據(jù)同結(jié)構(gòu)評估有機(jī)結(jié)合。

   橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測參數(shù)類型主要包括三類:

橋梁結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測項(xiàng)目包:風(fēng)荷載監(jiān)測、汽車荷載監(jiān)測、溫度監(jiān)測、地震荷載監(jiān)測;

   橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)目包括:振動特性監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、橋梁撓度監(jiān)測、伸縮縫和支座位移監(jiān)測、拉索索力或吊桿內(nèi)力監(jiān)測;

    其他監(jiān)測項(xiàng)目包括:混凝土耐久性監(jiān)測、防撞擊監(jiān)測、視頻監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測。

   根據(jù)以上監(jiān)測參數(shù)類型結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),建議監(jiān)測的參數(shù)如下:

系統(tǒng)監(jiān)測主要傳感器選擇

1、動撓度的監(jiān)測

    動撓度監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要參數(shù),目前常用有靜力水準(zhǔn)、GPS、橋梁撓度儀和毫米波雷達(dá)等,各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見下圖:

   根據(jù)以上對比,對于中小跨徑橋梁建議采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測,其安裝見下圖:

2、動應(yīng)變的監(jiān)測

     動應(yīng)變監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測,從而對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析,目前常用有振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)等。

    根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)監(jiān)測,常規(guī)結(jié)構(gòu)可不監(jiān)測此參數(shù)。振弦式應(yīng)變計(jì)很難對結(jié)構(gòu)動應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測,其測試原理是巡采方式。

3、車輛荷載監(jiān)測

    車輛荷載監(jiān)測采用動態(tài)稱重系統(tǒng)WIM來實(shí)現(xiàn),對車輛總重、軸重、車速、車間距等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4、支座位移監(jiān)測

  支座監(jiān)測為提高精度采用LVDT位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測,通過底座將設(shè)備固定在梁底或橋梁墩臺上。

5、伸縮縫位移監(jiān)測

伸縮縫位移監(jiān)測采用拉繩式位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

6、裂縫監(jiān)測

   裂縫監(jiān)測為提高精度采用LVDT裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測,其安裝方式同LVDT相同,通過底座將設(shè)備固定在梁體裂縫位置處。

7、橋梁限高監(jiān)測

橋梁限高采用限高監(jiān)測采用紅外對射的監(jiān)測設(shè)備,包括一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端對限高進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)配合視頻監(jiān)測設(shè)備,當(dāng)車輛超過限高設(shè)定值時(shí)觸發(fā)視頻采集系統(tǒng)對車輛信息進(jìn)行抓拍。

8、墩臺基礎(chǔ)沉降

  墩臺基礎(chǔ)沉降監(jiān)測采用高精度靜力水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測,以固定的基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考點(diǎn)對各測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,精度可以達(dá)到0.2mm。

9、索力監(jiān)測

索力監(jiān)測采用振動傳感器進(jìn)行監(jiān)測,配備動態(tài)集設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

1、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成通常包括:傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的管理與處理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng),見下圖。

2、項(xiàng)目總體系統(tǒng)架構(gòu)

   根據(jù)本項(xiàng)目需求,本系統(tǒng)在架構(gòu)時(shí)考慮以下特點(diǎn):架構(gòu)為獨(dú)立的監(jiān)測系統(tǒng);各橋梁為分布式子系統(tǒng);數(shù)據(jù)傳輸采用4G網(wǎng)絡(luò);預(yù)留接口與原監(jiān)控平臺對接;系統(tǒng)框架圖僅動態(tài)監(jiān)測模塊;與橋梁系信息管理系統(tǒng)融合。系統(tǒng)總體框架見下圖:

3、本項(xiàng)目健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)與橋梁數(shù)字化管理系統(tǒng)的融合

   將橋梁數(shù)字化管理信息系統(tǒng)同健康監(jiān)測系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合,體現(xiàn)人工檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合。

(2)監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與挖掘

 監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠在監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)定閾值用于結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的預(yù)警。對于不能直接用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、關(guān)聯(lián)分析等提取可以用于結(jié)構(gòu)評估的評估參數(shù)。監(jiān)測參數(shù)與評估參數(shù)的關(guān)系:如橋梁動撓度為監(jiān)測參數(shù),對于梁板結(jié)構(gòu)可以提取用于評估參數(shù):鉸縫工作性能(橫向分布系數(shù)或兩片粱間撓度相關(guān)系數(shù))、撓度影響線、撓度值等可以作為評估參數(shù)對橋梁工作性能進(jìn)行全面的評價(jià)。

                       監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析

(3)監(jiān)測參數(shù)與橋梁承載能能力評估結(jié)合

 本項(xiàng)目采用毫米波雷達(dá)對動撓度進(jìn)行監(jiān)測,這一關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測一直是行業(yè)的難題。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)提取橋梁結(jié)構(gòu)的撓度影響線對橋梁承載能力進(jìn)行評估,這樣可以形成一套完整的監(jiān)測和承載能力評估的技術(shù)。

(4)將巡檢、定檢及監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合

 目前健康監(jiān)測系統(tǒng)與橋梁日常巡檢、定期檢測、特殊檢測均建立為獨(dú)立的系統(tǒng),給橋梁管理人員帶來極大的不便。本系統(tǒng)建設(shè)將健康監(jiān)測系統(tǒng)與巡檢、定檢以及特殊檢測進(jìn)行有機(jī)的數(shù)據(jù)融合。建立的包頭市政橋梁健康管理系統(tǒng),主要包括:系統(tǒng)展示模塊、橋梁檔案模塊、橋梁日常巡檢模塊、橋梁定期檢測模塊、橋梁動態(tài)監(jiān)測模塊、橋梁特殊檢測模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、橋梁結(jié)構(gòu)健康評估模塊等。


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