桥梁健康监测讲义

桥梁健康监测

第一节 绪论

随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展,桥梁跨度越来越大。斜拉桥跨度已

达到890m(日本多多罗大桥),连接江苏南通与苏州的苏通大桥主桥斜拉桥跨度超过1080m;悬

索桥跨度已达到1991m(日本明石大桥),国内润扬大桥为1490m,江阴大桥为1385m,钢拱桥

最大跨度为上海卢浦大桥(550m),钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥(460m)。桥梁结构越来越

柔,跨径越来越大,不仅要求精确严密的计算与施工技术,而且对桥梁建成后的安全养护提出

了更高的要求。

大型桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶

段,以往人们往往主要只关注设计与施工阶段,由于投资巨大、重要性突出,大型桥梁的总体

规划也日益受到重视。虽然合理、保守的设计是结构安全的根本保证,但是限于当前对于大型

复杂结构的认识程度及许多不定时或不可预测因素,比如超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、爆炸、

地震、洪水、飓风等自然灾害,人们难以进行预测与控制,为了确保大型复杂结构特别是大型

桥梁的使用安全与耐久性,时时了解其健康状况是非常重要的。大型桥梁在建成后,缺乏科学

监测与管理对桥梁状态的影响日益突出,国内如广州海印桥的部分斜拉索因锈蚀而突然断裂,

济南黄河公路大桥的斜拉索也发生严重锈蚀而被迫提早更换,宜宾小南门金沙江拱桥吊杆断裂

造成人车坠入江中;辽宁盘锦田台庄大桥挂梁突然落下,坠入辽河。在国外,大型桥梁的突然

倒塌与破坏事故也屡见不鲜,如1994年韩国汉城圣水大桥在上班时刻跨中央断塌50m,造成32

人死亡,17人重伤的重大事故;2007年7月,美国明尼苏达州首府横跨运河的大桥在交通高峰

期间突然坍塌,造成8人死亡,100余人受伤的重大事故。在西方发达国家,大规模的交通基

础设施建设高潮已经成为过去,目前主要任务和重点是大量路桥的维修、加固和改造。根据美

国土木工程师协会(ASCE)2004年公布的调查结果:美国有35%的桥梁在结构或使用上存在缺

陷或老化,未来20年内治理桥梁病害、维修加固桥梁的开支预期将达到9000亿美元。以福建

省为例,由于桥梁老化、超载、设计与施工存在缺陷、损伤、自然灾害以及监测与养护管理不

力等原因,危桥数量不断增长。根据福建省1999年的桥梁普查结果,专养公路桥梁总数和危桥

数量分别为7169/139座,危桥已占公路桥梁总数的2.6%;2002年的普查表明:危桥总数已达

186座,比1999年增长了33.8%。据2005年福建省全省国、省道桥梁普查结果:截止2005年

12月份,全省桥梁(高速公路桥梁除外)总共有11601座、560863延米(其中特大桥47座,

205554.4延米;大桥847座,205554.3延米;中桥2156座,121029.8延米;小桥8551座,

152350.3延米);其中危桥有587座,23274延米,比2002年增长了215.6%。一些大型桥梁,

如福州洪塘大桥、漳州郭坑大桥、福州闽江二桥、三明下洋桥、连江解放大桥等国省道桥梁的

病害就曾经比较严重地影响了当地交通和经济的发展。现在每年用于危、旧桥梁改造加固的费

用在飞快增长,而且还远远不能满足实际需求。

然而,在当前的桥梁养护工作中存在许多不足:(1)工作效率低。桥梁的检查主要是有技术

人员到桥梁现场定期检查,查看一座桥梁需花费一个人半天或一天的时间,工作效率低,不适

合现代大量桥梁养护护理的要求。(2)准确性差。目前现有桥梁评估体系主要有交通部公路科学

研究开发的中国公路桥梁管理系统(China Bridge Management System),该系统在我国的公路

桥梁养护管理上得到了广泛的应用,但是其桥况数据基本上以人工采集为主,需通过检查人员

到桥梁现场进行目视检查获得外部现状,通过各种外部特征来综合判断桥梁状况。由于技术人

员用肉眼检查桥梁的现状,工作中存在随意性,在桥梁病害尺度的把握上存在着人为差别,而

对于肉眼无法看出的危险情况则又无法准确的把握,使得通过该系统的评价结论的准确性较差。

(3)养护费用高。桥梁养护的经费主要用于桥梁的加固、改造,由于缺乏预防性养护的投入,造

成“出现大病后花大钱治”的现状。(4)安全性低。由于桥梁的数量巨大,而技术人员和设备的

有限,导致无法对运营中的所有(或大部分)桥梁进行有效的桥况评估,时常遗漏一些危桥的

重要信息而发生车毁人亡的事故。

对于近二十年建成的大型桥梁,大部分建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构,

但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视,往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺

陷或安全隐患的桥梁,全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通,一般来说是不足取

的一种方式;由于资金有限,也不可能一次性全部进行加固改造,需要区分轻重缓急,需要对

桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性,传统的人工检测方法由于其滞后性、

效率低,造成桥梁管理成本的提高与资源配置的不合理,已跟不上桥梁发展需求,也不符合经

济运作的规律。在这种情况下,建立桥梁健康监测与安全评定系统(目前的硬件技术水平与软

件已经使之成为可能),能够大大提高检测效率,实时掌握桥梁状态变化,评价桥梁的承载能力

和使用功能,以及桥梁的安全可靠性,其意义主要有:(1)及时把握桥梁结构运营阶段的工作

状态,识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性;(2)为运营、维护、管理提供决

策依据,可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济;

(3)验证桥梁设计建造理论与方法,完善相关设计施工技术规程,提高桥梁设计水平和安全可

靠度,保障结构的使用安全,具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。

在欧美、日本等一些发达国家与地区,桥梁工程的重点已由新桥建设逐步转到既有桥梁的

健康监测、状态评估和养护、维修、加固与改造等方面,颁布了基于结构可靠性理论和概率思

想的旧桥评估规范和规程,并且把桥梁承载能力的评估纳入桥梁管理系统范畴。桥梁管理系统

包括桥梁健康监测、损伤诊断与识别、状态评估与承载力退化、可靠性与耐久性评估、使用寿

命预测、加固改造技术、新型改性材料等等方面,严格科学规范管理,已经取得比较显著的经

济效益。

我国正处于大规模的土木工程和基础设施建设时期,许多世界瞩目的跨海桥梁工程与基础

设施已经规划或正在建设之中。我国大量公路和铁路工程建设和安全运行的需求为桥梁工程健

康监测及其集成系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇。

第二节 桥梁健康监测的研究与应用现状

一、桥梁健康监测的基本概念

Housner等(1997)的结构健康监测的定义为:“在现场进行结构特性,包括结构响应的无

损检测和分析,用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有不足之处。当研究人员试图

对健康监测的无损评估进行综合,其重点在于数据收集而不在于评估。人们的确切需要是采用

一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理,以评估关键的性能测量,如使用性、可靠性

和耐久性。因此,Housner,et al.(1997)所做的定义必须修改,结构健康监测可以定义为:“在

现场进行结构特性,包括结构响应的无损检测和分析,其目的是:如果有损伤,则进行损伤识

别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”(图 1)。总而言之,

一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。

结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次:(Ⅰ)检测损伤的存在,(Ⅱ)确定损伤的

位置,(Ⅲ)估计损伤程度,(Ⅳ)确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平(Ⅲ)

的工作要求改进结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平(Ⅳ)的

工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20

年,随着仪器的改进和对复杂结构动力学的认识,在系统检测和土木结构评估方面,土木工程

结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。

土木工程和航天航空工程、机械工程有明显的差别,比如桥梁结构以及其它大多数土木结

构,尺寸大、质量重,具有较低的自然频率和振动水平,低振幅,而且桥梁结构的动力响应极

容易受到非结构构件等的影响,这些变化往往被误解为结构的损伤;而且钢筋混凝土桥中模型

的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多,这一切使得桥梁这类复

杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。

图 1 结构健康监测系统的基本组成

二、桥梁健康监测研究现状

1桥梁监测传感器研究现状

随着交通事业的发展,现代桥梁检测技术也取得了很大进步,主要包括以下几个方面:

(1)雷达与红外热象仪检测技术:使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些

心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面;

(2)光纤传感器监测技术:光纤传感器具有大面积检测能力,在较长时期内能提供可靠、

精确和长期的检测结果,安装了这种监测系统后,任何结构存在的问题都可以较早地被发现,

以便采取必要的修复措施,从而保证结构使用的连续安全性,使结构的性能得到最佳管理,并

减少使用费用。到目前为止,光纤传感器已用于许多工程,典型的工程有加拿大caleary建设

的一座名为beddington tail的一双跨公路桥内部应变状态监测;美国winooski的一座水电大

坝的振动监测;国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与

安全评估系统等。建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了96个FBG应变温度仪,2个风速

仪,39个加速度传感器和4个GPS定位器;

(3)无线电检测与评估系统:目前,一种全无(电)源的、便宜的感应器开发出来,满足

了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的

应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度;

(4)自感应检测技术:公路桥梁的自感应检测技术的应用是广泛的。目前,美国已经设计、

制造了一种便宜的位移感应器,用于翼墙的监测,已经进行两年多了,十分有效;一种新型埋

入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中,

在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。目前桥梁的维修自动化需

要的基本信息,被当作美国基础研究和开发的重点,这必须由感应和测量的高科技技术来提供;

(5)智能混凝土

a.损伤自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。目前常用的材料组

分有:聚合类、碳类、金属类和光纤,其中最常用的是碳类、金属类和光纤。碳纤维智能混凝

土可以对建筑物内部和周围环境变化的实时监控,也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以

及用于热敏元件和火警报警器等,还可应用于公路路面、机场跑道等处的化雪除冰,钢筋混凝

土结构中的钢筋阴极保护,住宅及养殖场的电热结构等;

b.自调节智能混凝土: 自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除

了正常负荷外,还希望它在受台风、地震等自然灾害期间,能够调整承载能力和减缓结构振动,

但因混凝土本身是惰性材料,要达到自调节的目的,必须复合具有驱动功能的组件材料,如:

形状记忆合金(sma)和电流变体(er)等;

c.自修复智能混凝土:自愈合混凝土就是模仿生物组织,对受创伤部位自动分泌某种物质,

而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土传统组分中复合特性组分(如含有粘结剂的液芯纤维

或胶囊)在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统,模仿动物的这种骨组织结构和受

创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法,使材料损伤破坏后,具有自行

愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。

自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段,它们只具备了智能混凝土

的某一基本特征,是一种智能混凝土的简化形式,因此有人也称之为机敏混凝土,目前人们正

致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能混凝土具有广阔的应

用前景,但作为一种新型的功能材料,如果投入实际工程,还有很多问题需要进一步地研究:

如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等;光纤混凝土的光纤传感阵列的最

优排布方式;自愈合混凝土的修复粘结剂的选择等。

(6)GPS全球定位系统:可以直接测量三维的空间运动;

(7)其他新技术:对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。

美国联邦公路局将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。另一项新技术是“智能桥梁支座”,

通过它可以收集到许多必不可少的桥梁工作信息。智能支座能通过支座上的活载和恒载的分布

发现并判断出桥梁结构体系的工作状况。

局部智能传感器应该是一个方向,但是局部的监测指标往往难以反映结构的整体性态,如

何将局部监测指标与结构整体性之间建立合理的关系是其中的关键问题,因此,必须发展分布

式传感器的健康诊断策略。

虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法,但有些技术仍需进一步完善才能达到普遍应

用的阶段。特别是为随时了解桥梁结构的工作状态,确保其长期使用性能,必须使用永久的监

测设备。因此,桥梁结构的长期监测与诊断技术目前变得越来越重要了。桥梁检测工作者们还

需继续努力,研究与开发出更加实用方便的桥梁检测技术与监测设备。

2土木工程测试技术研究现状

桥梁由完好至破坏是一个逐渐损伤演变过程,桥梁结构承载力的降低,直接源于结构损伤

的存在。对桥梁结构损伤部位进行检测的方法有很多种,过去和现在最常用的方法是人工肉眼

检查,但人工检测的效率很差,有很大的局限性,当结构的某些部位无法用肉眼进行检测时,

结构的损伤情况也就无法检测到。继而发展的桥梁局部检测技术是各部分的局部状态为检测内

容,它通过对结构局部部位进行集中检测,实现对结构缺陷部位的精确定位、检查,甚至定量

分析,局部检测主要依赖无损检测技术,包括目检法、压痕法、回弹法、染色法、超声脉冲法、

回弹-超声综合法、振动弹性系数与对数衰减率法、红外线法、射线法、光线传感法、同位素

法、电阻率法、自然电位法、泄漏测定法、磁粒子法、磁场扰动法、模式识别法等等。绝大多

数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等,实际检

测中经常声发射法、以脉冲回波法为主的超声波检测技术、射线检测、电磁涡流技术等几种技

术联合使用来评价结构状态。美国联邦高速公路管理局(FHWA)曾资助一个大型的关于高速

公路桥的无损评估新技术研究和发展的项目。该项目有两个主要目标,其一是发展新的工具和

技术以解决特殊的问题,其二是发展桥梁状态的定量评估技术用于支持桥梁管理,并研究将定

量的状态信息引入桥梁管理系统有何好处。他们希望发展的新技术能快速、有效且定量的测量

桥梁整体参数,如塑性和承载力。很明显,几种无损评估技术的结合可以用来帮助评估系统的

状态,它们对于获得用于桥梁评估的资料库是非常重要的。

众所周知,桥梁结构内部损伤,将导致结构整体力学特性的变化,而局部(Local)损伤检测

方法无法对桥梁的整体工作状态进行监测。桥梁整体检测则是以桥梁的整体状态如振动特性、

挠度、索力等为检测对象,通过对结构基本状况的连续监测或定期检测,实现结构整体状态的

检测与评估。

利用结构整体检测进行结构损伤识别的方法有:静力检测法、动力检测法以及混合法。静

态法识别效果好,所需数据较易测得,但测量时要阻断交通,人为施加荷载,现场工作量大,

而且无法做到适时监控。动态法可以监测由风、活载等自然因素激发桥梁产生的振动信息,加

工成一些理性识别指标,诊断桥梁损伤,而且现场工作量小,可做到适时监控。但是由于关系

到模态识别,对测量仪器及识别方法的精度有较高要求。混合法是希望借助一些比较容易获得

的静态观测数据来改善静力法的精度,但实际效果并不显著。由于结构的健康监测对于检测方

法自动化以及分析结构整体状态的要求,现在多数研究者把注意力放在了动力检测方法的研究

上,大致可以分为动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、遗传算法、小波分析法和神经网

络法。各种方法在桥梁损伤识别中的实际应用不尽如人意。主要有以下几个几点:(1)结构动

力特性受非结构构件、环境因素以及边界条件等的影响较大;(2)限于经济上的原因,通常只

能对少数自由度进行测量;(3)结构刚度、变形等的局部变化一般高阶模态会比较敏感,而这

些模态又往往难以准确测量甚至根本无法测出。

局部与整体检测方法是相辅相成的。局部检测能发现桥梁结构的局部缺陷,并进行精确的

检查和量化,通过采取适当的维修措施,防止局部缺陷的进一步发展造成对桥梁整体质量和安

全性的危害。对结构整体安全状态的监测可用于指导对局部损伤的识别和定位,能够及时掌握

桥梁结构整体工作状态的变化,从而使人们对桥梁的力学性能、安全性能有一个整体上的概念,

便于维修养护策略的制订和资金的分配,从而提高检测工作的效率。最近发展起来的包含多项

检测内容、集成了远程通信与控制的健康监测系统能够实现对桥梁状态的实时健康监测,它对

桥梁的健康状态评估显然能起更积极的作用。

3传感器的优化布设、系统集成与数据传输网络技术研究现状

结构的征状是由采集信号分析获得的, 因此信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采

集技术包括信号的采集和放大,传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取、存储等。此

外还应考虑采集数据的时间间隔,数据的标准化问题,测量过程的不确定性以及数据的净化问

题。由于被检测桥梁的庞大和复杂,传感器的类型和数目相当多,如何确定传感器的最优布置

点是研究的热点。目前采用的方法主要有:基于经验和基于结构自由度的缩聚法;针对振动模

态的有效独立法;清华大学在青马大桥健康监测中采用了遗传算法寻找加速度传感器的最优布

点;西南交通大学也探索了静载作用下桥梁应变测量传感器优化布设。但各种方法只是在局部

问题中有效,目前尚缺乏有效的传感器优化布设评估标准。各种算法依据各自的评估目标,尽

管各方法在形式和理论上有一点联系,但对同一结构在相同条件下,不同算法得出的结论往往

并不相同。信息传感器的优化布设还是监测结构经济性的考虑,因此关于传感器布点理论的探

讨和验证值得深入研究。

4桥梁结构健康监测数据管理与控制技术研究

对于现有的国内外部分科研机构开发的健康监测系统,由于采用了专用的数据线,因此整

个监测系统的费用昂贵,不适宜我国目前的实际需求。而国内目前所进行的定时检测或事后检

测的方式,又会带来巨大的人力、物力的浪费和安全隐患。因此开发一套便捷的桥梁健康监测

系统,使之能真正做到:既能行之有效、又能经济可靠,而且又能对桥梁实行实时在线监测的

健康监测系统就非常迫切紧要。

近年随着公共电话线路的数字化传输和移动电话的不断普及,公用电话线路的数据传输速

度、数字通信能力和无线移动通信能力得到了迅速的发展。因此,不采用专用数据线而采用数

字通信网络线作为方便的数据传输媒介,在其基础上新开发的桥梁监测系统将会带来遥控监测

技术上的创新,使得数据传输更为便携和低廉。

5 桥梁损伤识别技术的研究现状

桥梁损伤诊断和识别应该包含四个方面:(a)损伤是否存在及损伤原因;(b)损伤位置识别;

(c)损伤程度识别;(d)损伤对桥梁受力性能的影响有多大。目前尚没有一个损伤指标能够全面

地、敏感地反映桥梁的损伤状态,这是因为桥梁工程和航空航天工程、机械工程相比有很大的

区别,比如桥梁的体积大、质量重,具有较低的自然频率和振动水平,其动力响应非常容易受

到不可预见的环境状态、非结构构件等的影响,这些变化往往被误认为是结构的损伤,从而使

得桥梁损伤诊断具有极大的挑战性。主要的损伤指标有:共振频率、频率响应函数、振型、振

型曲率、模态应变能、模态柔度、阻尼比和能量传递比、Ritz向量等等;结构损伤识别或诊断

的方法主要有(1)基于动力参数的识别;(2)基于静力参数的识别;(3)子结构方法识别;(4)

统计分析识别;(5)神经网络识别;(6)小波变换识别、时间序列模型等等,绝大部分损伤指

标和损伤识别方法仅适用于实验室模型,可供实桥损伤识别的实用方法不多。目前桥梁损伤诊

断从单纯的依赖其动力响应到综合利用无损检测与静动载测试信息;从单纯的模态识别到实验

和理论模型修正,乃至神经网络方法;考虑测试传感器的优化布置、充分利用有限的实验测试

信息;从单一损伤指标诊断到多损伤指标诊断等等方向发展,这样可以克服各自方法的缺点并

相互检查,与损伤检测的复杂性相适应。

6 有限元模型修正与模型确认现状

用于无损评估的有限元模型修正方法可以分为如下几大类:模态柔度法、最优矩阵修正法、

灵敏度矩阵修正法、特征结构分配法、测量刚度改变法和综合模态参数法等,所有这些有限元

模型修正技术要求用户选择一系列量测模态与相应有限元模型的模态相匹配。通常,只有结构

的前几阶模态用于有限元模型修正,因为这些模态是识别较好的模态。然而,在一些情况下,

对应高阶频率的模态在结构损伤定位方面非常关键,因此有必要在有限元模型修正中包括这些

模态。作为损伤结果,许多频率较低的模态并没有显著改变,它们只会增加计算量而对确定损

伤的位置没有明显贡献。模态数量是有限的,不仅是由于计算工作压力,还由于高次修正问题

内在的病态和统计偏差。由于这些局限性,选择最能反映结构损伤的系统标准是很重要的。有

限元模型修正主要涉及到修正参数的选取、目标函数的确定和优化算法的选择等方面。目前常用

的模型修正优化算法有Gauss-Newton法、最优线性搜索法、Monte-Carlo法、遗传算法等,有的收敛较

快,有的计算工作量较小,各有千秋,可以综合利用这些方法,相互取长补短。

传统的模型修正方法仍存在许多问题,特别是:(1)既有的桥梁有限元模型修正主要建立

在确定性(deterministic)分析框架内,而实桥健康监测数据和结构模型都具有强烈的不确定性

(uncertainty),采用确定性分析方法处理本质不确定性的桥梁结构健康监测和安全评价,会导

致理论方法和实际应用的矛盾,这正是目前基于模型的损伤识别技术很难应用于实桥的主要原

因之一;(2)目前工程上采用的基于灵敏度分析的参数挑选方法是根据计算参数在某设计点处

的灵敏度进行挑选,该方法只是计算了特征量的局部灵敏度,具有很大的局限性;没有在整个设

计空间上挑选对特征量有显著影响的设计参数,计算效率较低,模型的预测预报效果不太理想;

(3)传统的模型修正技术主要针对线性、低频系统,很难适用于冲击、爆炸、碰撞、耦合和随

机性强的土木工程振动等非线性问题,以及计算和试验中含有明显不确定性的系统,因此传统

的模型修正技术亟待发展。

从20世纪90年代以来,以确定性思想为基础的模型修正开始向统计学方面发展,主要应用

Bayes模型修正和随机有限元模型修正方法,而基于统计分析原理的结构健康诊断不确定性方法

的研究,有望成为解决大型土木工程结构健康诊断问题的一般方法。系统化的有限元模型确认

(Model validation—MV)最早出现在美国能源部的专项研究计划中,它是建立在概率数理统计、

模糊数学和区间估计等信息理论的基础之上的,近年来在航空航天、力学、机械工程等领域受

到日益重视。模型确认的定义是:对结构系统进行从构件到整体系统的分层建模和确认试验,

对系统中的不确定性进行量化和传递分析,对有限元模型在设计空间的响应预报精度进行评价

和确认,在此基础上基于统计方法进行模型修正,为进一步的应用提供精确可信的有限元模型和

响应计算方法。所以有限元模型确认的研究目标主要有两个:一是结合有限的试验及分析,获

得精确可信的确定性有限元模型;二是获得进行下一步的响应预报所需要的计算参数。

模型修正用来使模型计算结果与已有试验数据协调一致,换句话说,对原有计算模型的参数

进行修正,使之能正确重现试验结果,而并非确定模型预示结果的精度。模型确认与模型修正不

同,其基本思想是:在进行部分试验并考虑不确定性的基础上,对模型计算结果进行预测。模型

确认引入了分级修正的概念,进一步提高了修正精度;同时引入了基于快速运行模型,可以和

商用有限元软件接口,减少直接有限元分析(FEA)求解灵敏度的工作量,有效解决局部最优问

题,使得修正技术易于应用。若不考虑结构系统中计算与试验的随机误差和参数误差,不考虑

对实验验证范围以外进行预报,只对模型的主要参数进行校准,结构的模型确认就简化为模型

修正。因此模型修正是模型确认的一个特例, 模型确认是模型修正的发展。

虽然模型确认的许多研究工作已经展开,但该方法尚处在初始起步阶段,大量深入、细致

的研究工作尚待结合特定的学科和工程应用背景积极展开[17,26],仍有大量关键问题有待研

究和突破,这些关键问题主要有:(1)参数筛选与试验设计;(2)不确定性传递和量化分析;(3)

高阶多项式响应面拟合和基于响应面的模型修正;(4)测试/分析相关性研究与统计假设检验等

等。

7 桥梁健康监测海量数据挖掘

所谓数据挖掘技术就是从大量的、不完备的、模糊和随机以及多噪音的数据中提取规律性

的、人们事先未知的,但又是潜在有用的并且最终可理解的信息和知识的非平凡过程,所挖掘

的知识的类型包括模型、规律、规则、模式、约束等,它包括从数据库中发现知识、数据分析、

数据融合以及决策支持等几个方面。数据挖掘常用的技术包括非线性预测模型、决策树、关联

规则挖掘、遗传算法等,数据挖掘具有自动预测趋势和行为,关联、聚类、概念描述和偏差检

验等功能。数据挖掘技术具有如下特点:(a)数据挖掘技术特别适用于处理随机性强、噪音干

扰大和海量的数据。由于海量监测数据中包含很多不确定性因素,数据挖掘可通过放宽对模型

的假设来进行仿真,避免传统的建立精确数学模型的困难;(b)由于监测数据的连续性,数据

挖掘可以利用历史上各个阶段数据与当前的数据的比较分析来预测桥梁的未来响应和性能,识

别可能潜在的类型损伤;(c)数据挖掘可以从大量监测数据中区分不同环境因素之间以及同类

环境因素对结构静动力特性的影响,从而有可能将环境腐蚀损伤与应力损伤分别进行识别,克

服现有基于振动的损伤识别方法的不足,真正实现大型复杂桥梁的实桥损伤诊断;(d)数据挖

掘技术的计算效率高,结果表达方式丰富多采。目前数据挖掘技术在机械故障诊断等领域进行

了初步尝试,但在土木工程特别是桥梁工程健康监测领域的研究和应用则报道很少,桥梁工程

实时健康监测的数据具有数据量大、数据种类多、数据质量差、噪音强等特点,在问题定义与

建模、算法选择、经验参与等方面还有大量的工作要做。

8结构健康监测系统的设计指南和标准的研究现状

目前国内外均缺少结构健康监测系统的设计标准。针对不同形式的结构,健康监测系统设

计标准应满足如下要求:详细规定监测系统的组成;对监测的力学和性能参数做出具体的要求;

对传感器的类型、性能和布置准则做出规定;提供相应的损伤识别方法;建立结构健康状态的

评定标准。

三、桥梁健康监测系统

1健康监测方法

1.1 基于动力的健康监测方法

目前研究中的大部分桥梁结构健康监测方法,集中于使用动力响应来检测和定位损伤,因

为这些方法是整体的检测方法,可以对大型的结构系统进行快速的检测。这些基于动力学的方

法可以分为如下四类:①空间域方法,②模态域方法,③时域方法,和④频域方法。其中空间

域方法根据质量、阻尼和刚度矩阵的改变来检测和确定损伤位置;模态域方法根据自振频率、

模态阻尼比和模态振型的改变来检测损伤;在频域方法中,模态参数如自振频率、阻尼比和振

型等是确定的,从非线性自回归移动平均模型估计出光谱分析逆动力问题和广义频率响应函数

被用于非线性系统的识别。在时域方法中,系统参数通过在一定时间内采样的数据来确定;如

果结构系统的特性在外部荷载作用下随时间改变,那么有必要确定由时域方法得出的系统动力

特性在时间上的改变。进一步地,可以使用四种域中提出的任何动力响应,采用与模态无关或

与模态相关的方法进行损伤检验。文献资料显示:模态无关的方法可以检测出损伤的存在而无

需大量的计算,但在确定损坏位置时并不精确;另一方面,模态相关的方法比与模态无关的方

法相比:通常在确定损伤位置上更加精确且只需更少的传感器,但该方法要求有恰当的结构模

型和大量的计算。虽然时域方法使用传统的振动测量仪器得到的原始时域数据,这些方法要求

某些结构信息和大量的计算,且具有个案特性。此外,频域方法和模态域方法使用转换的数据,

但转换存在误差和噪音。而且,在空间域方法中,质量和刚度矩阵的建模与修正还存在问题且

难以精确。将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的发展趋势。例如,几位研

究者将静载测试和模型测试的数据结合起来评估损伤,这样可以克服各自方法的缺点并相互检

查,与损伤检测的复杂性相适应。

1.2 联合静动力的健康监测方法

静力参数(位移与应变等)是根据静力荷载如在桥上缓慢移动的车辆引起的变形进行量测。

在许多情况下,施加静力荷载比动力荷载更为经济,对于状况评估,许多应用只需要单元刚度。

在这些情况下,静力测试和分析即简单又经济。通常的桥梁监测中都需要监测静态应变(和动

态应变)、静力位移(和动挠度)以及相应的环境温度、湿度和风荷载。

既然自振频率、振型和结构系统的静力响应都是结构参数的函数,这些参数可通过比较数

学模型预测的静动力特性和试验确定的静动力特性值得到。损伤发展的结果之一是局部刚度的

减小,从而导致一些响应的改变;因此,对损伤检测和评估,综合结构静动力特性的监测是非

常必要的。根据这一思想,结合静态应变、静态位移与动力响应(即振型或模态柔度等)来确

定损伤位置和识别损伤程度,几种算法综合起来用于改进参数识别的灵敏度和提高解答过程的

可靠度,静力和动力响应被用来校准识别的置信度水平。

联合静动力的损伤识别通常需要进行有限元模型修正,因为有限元模型的误差可能比损伤

的变化要大,所以有限元模型必须先用测得的模态特性和试验数据进行校准;只有有限元模型

是可靠的,有限元方法模态修正的结果才是可靠的。其他的方法包括统计损伤识别、神经网络

识别方法、子结构损伤识别、基于小波变换的损伤识别等等,但是目前大多只停留在实验室简

单模型或数值模型,用于真正实桥的损伤识别和健康诊断还有很长的路要走。

2桥梁健康监测的应用

先进的桥梁健康监测系统主要包括各类软硬件系统,其中各类高性能智能传感元件、信号

采集与通讯系统(包括无线传感网络)、综合监测数据的智能处理与动态管理系统、结构实时损

伤识别、定位与模型修正系统、结构健康诊断、安全预警与可靠性预测系统是关键部分。美国

八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器,监测环境荷载、结构振动和局部应力状态,

用于监视施工质量、验证设计假定和评定服役安全状态,比如1987年在佛罗里达的Sunshine

Skywey桥安装了500个传感器来证实设计假定,监测施工质量以及在运转过程中的状态。1987

年,英国在总长522m的三跨变高度连续刚箱梁Foyle 桥上布设传感器,监测大桥运营阶段在

车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应,同时监测环境风和结构温度场,该系统是

最早安装较为完整的监测系统之一,它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。

香港青马大桥为桥长2160米、主跨1337米的公路、铁路两用选索桥,是连接香港新机场

的重要交通枢纽。由于香港经常遭受台风的袭击,同时公路和铁路两用桥的特点使得施加在结

构上的荷载特别大,为了保障桥梁的健康运行,建设过程中在桥梁上安装了规模较大的结构健

康监测系统。该系统包括风、车辆和温度等荷载和环境作用监测系统,风荷载有安装在桥面板

和主塔塔顶的6个风速仪测量,车辆荷载采用地秤进行监测,同时在桥面板和主塔安装了115

个温度传感器;结构的整体响应主要采用加速度传感器、位移传感器、水平测距仪和GPS系统

测量,在桥面和主索上安装了12个单向加速度传感器、3个双向加速度传感器和2个三向加速

度传感器,在桥面板和主塔安装了2个位移传感器和9个水平测距仪;局部响应主要通过埋设

的应变进行测量,应变片在桥面板和主塔时光内工粘贴了110个应变计;除上述传感器系统外,

在该桥上还配置了相应的数据采集、传输和处理系统。该系统能对桥梁的主塔、缆索、缆索锚

头、吊杆、桥面格架和桥体支座的安全状况进行实时监测。近五年的观测显示作用于桥梁上的

风,温度和交通荷载远低于结构设计荷载,监测得到的桥梁关键部位的应变位移反应也远低于

设计值,因此认为桥梁一直处于健康状态。除青马大桥外,香港的另外两座大型斜拉桥-Kap Shun

Mun和Ting Kau桥上都安装了健康监测系统,这三座桥梁的传感器总数达900个(Lau et al,

1999)。

美国休斯顿的Fred Hartman大桥是另一较为典型的安装监测系统的大跨度斜拉桥。 Fred

Hartman大桥横跨Houston Ship 河连接Baytown和LaPerte,由三跨组成,中间跨为381米,两

边跨均为147米,桥面宽48米,桥面采用混凝土预应力,钢桁架支撑,锥形桥塔,一个锥形面

内24根斜拉桥,索在桥面上的间距为15米,共192根斜拉索。为了降低斜拉索的振动和监测

桥梁的安全状况,美国Johns Hopkins 大学的Johns和Main在斜拉索上安装了粘治阻尼器,同

时安装了健康监测系统。监测系统包括安装在桥面板水平位置的2个三向风速计和安装在南塔

顶部的1个螺旋叶片风速仪,环境监测传感器包括2个雨水量测计,温度计和气压计,记录外

界环境条件的改变;结构整体响应采用加速度传感器和位移传感器测量,在桥面板上安装了4

个单向和1个双向加速度计,在斜拉索上安装了19个两向加速度计和8个位移传感器;此外,

还在安装粘滞阻尼器的索上安装了力传感器,以监测阻尼器的阻尼力。数据采集系统采用了4

极点的Bessel滤波器,其截止频率为10Hz,数据采样频率为40Hz,每次连续现场采集5分钟,

并将采集的数据保存到硬盘上,之后通过远距离传输技术进行数据通讯和系统控制,其中2700

组数据是在第一年监测到的。数据处理主要采用统计方法和频谱分析方法。统计分析时,将5

分钟的采样数据按照1分钟作为1个样本,统计分析该桥反映的均值、方差、最小值和最大值、

偏斜和峰态,并将有关的结果存入有关的数据库中。通过对监测数据的频谱分析,发现该桥的

振动包括旋涡振动、风雨振和桥面与索之间的相互作用引起的参数振动和横向激振。通过对斜

拉索振动数据进行频率分析,研究了安装粘滞阻尼器对索的阻尼和振动频率的影响。

上海徐浦大桥综合监测系统中实施的实时自动监测项目包括:车辆荷载监测(1个车道)、

温度监测(20点)、挠度监测( 5点)、桥梁振动监测(16点)、应变监测(20点)、斜拉索振

动与索力监测(4根斜拉索)等,其他项目由桥梁管理部门进行的日常检测作为补充。其他典

型实例包括如山东东营黄河公路大桥、哈尔滨松花江大桥、广东虎门大桥、江阴长江大桥、芜

湖长江大桥、上海卢浦大桥等。润扬长江大桥、苏通大桥等特大型桥梁在施工阶段已开始传感

器的安装,一方面用于施工监控,另外考虑长期的健康监测,便于未来运营期间的实时监测与

预警。国内外安装健康监测系统的主要桥梁参见表 1。

桥梁综合监测技术随着现代检测技术和计算机通信技术的发展而不断进步,越来越趋向于

智能化、实时化、自动化、网络化。

智能化( smart)是通过开发和应用高性能智能传感设备,进行自感知、自适应、自诊断、

自愈合和智能传输测试的物理量,包括智能感应材料传感器、光纤传感器、钠米混凝土传感器

等等。

实时化(on-line)是综合监测与评估的根本目标,能及时掌握桥梁工作状态,彻底消除人工

检测的滞后性和低效性。通过监测资料的积累,更有可能判别桥梁安全性能、使用性能和资金

使用效率之间的最优化临界点,预测桥梁健康状态的发展趋势,避免重大事故的出现和资源的

浪费。

自动化(automatic)是实现桥梁实时监测的基础,不仅包括监测设备等硬件上的自动化,还

应包括对数据处理条件的自动判别。由于综合监测中数据量十分庞大,尽管目前计算机海量存

储技术已得到飞速发展,对于如桥梁振动这种监测项目而言。从实际工程应用和成本角度来看,

仍不可能做到对一天24小时的数据进行存储和记录,需通过软件设置一定的触发条件,从大量

监测数据中选择需要部分进行整理、记录和分析。

网络化(internet)是信息时代的特征,桥梁实时监测系统的网络化可以实现监测数据的共

享,以便各地专家对桥梁状态的评估。辅以现代计算机通信及远程控制方法,更可实现对远离

城市桥梁的自动实时监测,实现良好的社会效益和经济效益。

目前我国的桥梁建设技术已达到世界领先水平,桥梁建设事业得到了前所未有的发展,特

大型桥梁投资巨大,随着大型桥梁的不断建成,如何做好桥梁的运营、养护,随时了解桥梁结

构的健康情况,及时对桥梁的安全进行评价已成为管理者日益需要和迫切希望解决的课题。我

国目前在测试技术、智能控制技术、电子与计算机技术、通讯与系统集成等方面已经取得明显

进步。此外,无线通信及无线网络技术的发展提供了建立无线桥梁健康监测系统的可能性,可

以大大降低系统中布线的复杂性,实现远程监测更为方便。但目前光纤传感器及采集系统、无

线通讯系统较为昂贵,有待无线通信技术的进一步发展及其成本的进一步降低。

表 1 桥梁健康监测系统部分应用实例

10

11

12

四 桥梁健康监测的主要研究方向与研究内容

1土木工程新型传感器和测试新技术与应用

针对重大工程结构长期健康监测的特殊环境和要求,研制结构局部性态(如应力、应变、裂纹、疲劳等)、整体性态(如位移、速度、加速度等)和一些环境作用(如温度、压力、车辆荷载等)监测的智能传感元件和无线传感网络,主要研究内容如下: (1) 智能传感元件、监测性能与信号采集系统:研究光纤光栅应变和温度交叉敏感耦合机理;

针对钢结构和钢筋混凝土结构,分别研究光纤光栅金属封装应变传感器和树脂基纤维封装应变传感器及其应变传递特性、大应变监测性能和耐久性;探索结构大应变、局部损伤分布式定位和可能定量监测的其它光纤传感系统,如基于普通光纤传感器及其时域反射计的结构损伤定位与定量监测系统(optical time domain reflectometer,OTDR)等。针对钢结构焊缝和钢筋混凝土结构裂缝损伤,研究压电薄膜和压电陶瓷裂缝/裂纹监测传感元件、监测信号与损伤特征的关系及其多裂缝的耦合影响、传感元件的耐久性和与机体的融合性能、以及监测信号采集系统。针对钢结构疲劳损伤突出的问题,研究改善疲劳寿命电阻丝(箔)传感元件的监测性能和耐久性能、探讨累积电阻与疲劳损伤的关系及其应变幅值与循环周数的耦合影响、监测信号采集系统;研究基于疲劳寿命电阻丝(箔)的金属构件疲劳累积损伤评价和剩余寿命预测方法。

(2) 机敏混凝土 、碳纤维膜/片/筋及其传感系统:研究完善碳纤维、纳米及其混合填料水

泥浆(机敏水泥浆)的制备,研制开发机敏水泥浆应力/应变传感器;研究传感器的感知特性及其环境温度、湿度、收缩徐变的影响和可能的补偿方法、长期感知稳定性和耐久性、电极设置与信号采集系统;研究机敏水泥浆应力/应变传感器与混凝土机体的界面效应、监测应力应变的效果。研究碳纤维、混杂纤维树脂基或改性树脂基膜/片/筋(机敏碳纤维膜/片/筋)的感知特性及其环境温度、湿度、收缩徐变的影响和可能的补偿方法、长期感知稳定性与耐久性、电极设置与信号采集系统;研究机敏碳纤维膜/片/筋传感器与混凝土机体或钢结构表面的界面效应、监测应力应变的效果。

(3) 多功能无线传感器及其网络系统:研究无线加速度传感节点/网络、无线应变传感节点/

网络以及多种类传感器集成节点/网络;研究无线传感网络局部数据处理方法以及数据在节点和节点以及节点和基站之间的数据通讯和传输方法;研究无线传感器组网以及网络优化设计方法。

(4) 桥梁结构非接触检测系统研制及应用:包括雷达与红外热象仪检测技术;图象扫描、成

像分析与识别技术等。 2传感器的优化布设技术、系统集成与数据传输网络技术 2.1传感器的优化布设技术

(1) 结构易损性分析与局部性态监测测点优化方法:依据不同技术方案,研究最小测点获取

最多模态振型、信号空间相关测点选择、信息矩阵秩最小法、模态动能法等的差异,选择最优的传感器优化布置理论。

(2) 结构整体性态监测测点优化方法:进一步地研究基于遗传算法和神经网络技术的传感器

布置算法,确定最优的传感器优化布置技术方案。 2.2系统集成与数据传输网络技术

研究重大工程结构长期健康监测的数据集中采集、实时处理、管理和交换以及实时损伤识别与安全评定、现场或远程健康监测的硬软件集成系统。 (1) 基于分布式网络的数据采集系统集成技术:研究开发结构健康监测的大规模监测数据集

中采集实时处理的先进总线集成系统、数据网络管理系统、多用户查询和软件应用的数据交换方法;研究开发适用于不同传感元件、不同数据采集系统、不同数据管理系统、不同应用软件平台的结构健康监测集成系统。

(2) 多结构健康监测的集成系统网:以大跨度桥梁为典型结构,研究基于地理信息系统(GIS)

的多桥梁结构健康监测系统的集成方法和集成系统网。 3桥梁结构健康检测数据管理与控制技术

研究重大工程结构性态响应和损伤变量等多参数、多传感元件监测数据的融合、实时处理、远程有线和无线传输的智能化方法。主要研究内容有:

(1) 多参量、多传感元件监测数据智能处理方法:研究多参量、多传感元件监测数据的融合

方法;研究动态监测信息的噪声形成机理与噪声识别方法,发展基于现代信息处理技术的噪声过滤技术;研究动态监测信息的时域、频域、时频域实时处理方法和远程传输的数据压缩方法。

(2) 监测数据的远程传输方法研究:研究多参量、多传感元件监测数据的分类集成和传输、

分区域集成和传输的递阶集成与传输方法;研究开发多参量、多传感元件监测数据递阶集成与传输的有线和无线传输系统(包括硬软件集成系统)。

(3) 基于动态数据库的数据管理和控制技术研究:主要研究基于动态数据库的数据查询、历史

记录管理、特征值统计分析(峰谷值、平均值、方差统计)、不同类型数据的相干分析等等。

(4) 基于数据挖掘技术的桥梁监测实时数据挖掘与控制。 4 桥梁安全预警技术及结构健康状态评估技术

研究基于监测信息的重大工程结构实时损伤推断与定位、实时模型修正与安全评定的理论和方法、以及结构安全预警的多水平准则,建立典型重大工程结构损伤识别与安全评定的标准试验模型,为重大工程结构的健康监测与安全预警提供理论、方法和统一的检验平台。主要研究内容如下:

4.1结构实时损伤推断、定位与模型修正的理论和方法

① 环境时变作用模型研究。(a)研究昼夜温差变化与季节温差变化的幅值及其循环作用

的次数,研究温度对连续刚构桥梁静动力特性的影响;(b)预应力对超静定结构动力特性的影响目前还没有明确的结论,对于既有桥梁结构,预应力随时间而变化的,需要研究预应力效应变化及其对桥梁动力特性的影响。

② 复杂结构损伤的子结构、分散化识别方法:针对大型拉索式桥梁结构等具有明显子结

构特征(如拉索、桥面和桥塔等相对独立又有机联系的子结构体系)的重大工程结构,研究结构局部损伤、子结构损伤和分散化损伤推断——分析和识别及其两者相结合的方法;研究以局部信息为先验知识和以整体信息为先验知识的结构损伤识别的信息融合方法。

③ 基于非物理模型的结构损伤识别方法:采用现代信号处理技术和人工智能方法,研究

基于非物理模型的结构损伤识别方法,主要包括小波包变换分析方法、Hilbert-Huang变换分析方法、神经网络方法等,建立小波包能量谱等结构损伤指纹;研究非物理模型的结构损伤特征与有物理模型的结构损伤特征的关系与相互转化的条件和方法。 ④ 结构模型修正的理论与方法:在结构损伤推断与定位的基础上,研究结构模型修正的

优化目标函数和约束条件;研究子结构模型修正方法,从单元到单元、整体到单元的模型修正方法,基于局部和整体性态变量一致性的结构模型修正方法,以及概率模型修正方法。 4.2结构健康状态评定的理论与方法

① 结构安全评定的荷载标准:桥梁评估显然不同于桥梁设计,设计荷载标准是基于统计

分析综合得到的,而实桥实际经历的荷载显然不同于预期的设计荷载,可能发生超载,还有不同轴重的概率分布和交通流量等。因此制定桥梁评估的荷载标准就显得特别重要。研究基于环境条件监测的结构极值环境作用;研究结构设计使用期和后续服役期的随机环境荷载等概率超越准则以及以此为准则的结构安全评定荷载标准;研究地震、强风和海浪等具体的评定荷载标准。

② 典型重大工程结构累积损伤与抗力衰减的关系:针对大型拉索式桥梁结构以及固定式

钢质导管架海洋平台结构,研究结构关键构件累积损伤的规律、结构构件和整体性能退化规律和抗力衰减模型。

③ 结构实时安全评定:结合典型重大工程结构,研究易损性构件和重要性构件与结构失

效模式和相应极限承载能力的关系;研究结构重分析和极限承载能力分析的高效快速方法,以及基于当前监测确定的极限环境作用和极限强度模板映射的结构实时安全评定方法;研究基于当前结构损伤状况和评定荷载标准下的结构安全评定方法。

④ 桥梁剩余使用寿命预测。由于影响既有桥梁剩余寿命的因素很多,包括混凝土的碳化、

钢筋锈蚀、超载运营等等,各个影响因素之间互相影响,目前针对既有公路桥梁的抗力衰减模型虽有一定的参考资料,但是超载导致的疲劳损伤和钢筋导致的锈蚀等多因素耦合的桥梁抗力衰减模型还有待进一步的研究。(a)发展合适的桥梁系统抗力模型,主要内容有:定义合适的极限状态、定义合适的桥梁材料和部件抗力系数、在既有经验基础上建立目标安全性指标和桥梁系统抗力模型。(b)研究结构主导失效模式发生概率的计算方法与识别技术;研究基于荷载与抗力随机变量先验知识的重要抽样方法和结构整体抗力与荷载效应极限状态的结构体系可靠度预测方法。 4.3结构安全预警的多水平准则

① 结构预警水平决策:结合典型重大工程结构,研究结构的失效机理、失效模式和最小

安全余度;根据结构不同状态的功能,研究结构多级安全预警水平设立准则、标准和基于损伤过程控制的阀值调整方法。

② 基于先验知识的结构安全预警方法:研究根据结构易损性分析、结构失效路径和临界

状态、损伤指纹的结构安全预警方法,研究快速预测结构灾变响应的理论与方法。 ③ 建立长大桥梁安全预警系统。 5 桥梁健康监测与桥梁养护管理的决策模型

一定要探索桥梁健康监测与桥梁养护管理的有机结合点,将健康监测纳入桥梁管理系统的范畴,这是未来桥梁健康监测的发展大方向。侧重于桥梁生命周期内的养护维修策略,结合桥梁健康监测与能力预测,提出桥梁养护维修决策模型,推荐加固维修方案比较并推荐优化的加固技术方案,将研究成果应用于具体桥梁工程的加固改造设计与施工,

第三节 大跨预应力连续刚构桥健康监测系统

一、下白石大桥简介

下白石大桥(图 2)属于国家干线高速公路沈海线(闽)福鼎至宁德高速公路上的一座特大型桥梁,主桥上部结构为跨径145m+2260m+l45m的预应力混凝土连续刚构,桥梁全长810米。整个主桥处于坚曲线范围内,竖曲线半径R=52000米.桥面纵坡变坡点在桩号K125+400.00处,两侧坡度分别为0.9%和-0.3%,主桥中点桥面标高设计为45.173米,桥面两侧设2%的单向横坡。主桥桥面宽24.50米,分为上下行两幅,在主桥主墩处用四道横梁连接起来,每幅桥箱梁采用单箱单室截面,箱梁顶板宽12.00米,底板宽6.00米,桥梁定面设单向横坡;墩顶处箱粱高为14.00米,各跨跨中以及现浇梁段高均为4.20米,该桥支座采用KPZ系列盆式橡胶支座。 该桥设计荷载为汽超-20、挂一120,无人群荷载,于2003年7月建成通车。

通车3年以后,经过检查发现桥梁存在明显的下挠、支座伸缩变形过大、水下桩基础冲刷露筋、箱梁开裂等病害。期望通过长期实时监测和分析,监测桥梁运营状态的基本信息,对运营过程中出现的异常情况进行预警或者报警,从而实现对桥梁结构的安全运营状态进行评估,科学地实施桥梁预防性养护。

图 2 下白石大桥

二、 监测目的

(1) 建立一套稳定可靠、实时采集分析传输的健康监测系统,为大桥的长期安全运营和养

护提供强有力的技术支持。

(2) 建立远程控制监测系统,通过远程网络及时了解大桥的运行情况及各测点的特征值和

预处理结果。

(3) 通过大量的特征值和实时采集数据的分析,建立一套完整的评估和预警系统。

(4) 为大桥的结构损伤提供可靠的数据,为桥梁养护部门对大桥的养护、维修提供必要的

信息。

(5) 为类似结构的桥梁的监测和养护提供宝贵经验,推进桥梁监测的发展。

三、健康监测系统总体方案

3.1系统主要设计思路

(1) 为了便于系统的管理和维护,将加速度、动位移、应力等多种参数测试集成在一个系

统中,以测试断面为单元,采用模块化设计。

(2) 测试信号经过数据采集后多通道合成,采用光纤进行数字化传输数据,解决现场采集

数据的长距离高速不间断传输难题,采用了星型传输结构的系统同时保证了各个测试断面采集子站的电系统独立性,增强测试系统抗干扰能力,采集子站的局部故障不会扩散到整个系统的其他部分,便于系统维护。

(3) 系统设备布置方案采用数据采集箱,安放于测试断面距各测点最近,使得传感器输出

的微弱信号传输距离最短,减少干扰及信号传输线路;

(4) 采集控制器、主控计算机和预处理计算机安放在桥的中心位置,保证与各采集子站通

讯传输距离最短,减少光纤长度,便于安装,节约成本。

(5) 主控计算机控制现场各采集箱完成桥梁各种静、动态响应信号的采集、预处理和存储,

在监控中心可以实时观测桥梁的振动,位移和应力状况,并且可以通过人工定期到现场取数,将采集到的数据带回处理分析。

(6) 预处理计算机对测试数据进行实时分析,并且通过远程网络将实时分析的特征值传输

到远端的数据中心。 3.2监测的主要内容

(1) 实时监测内容(采样频率200Hz)

 桥梁静动态应力监测,包括主梁控制截面混凝土应力监测等;

 桥梁振动特性监测,包括桥面竖向、横向、纵向与扭转振动特性(包括各向振动频率、

阻尼比、振型和振动强度等)及其变异监测;  桥梁竖向、横桥向动位移监测等。 (2)定期监测内容

 桥梁定期线型监测(半年一次)

 支座纵横向位移监测(采样时间间隔5分钟);

 桥梁工作环境监测,包括桥梁环境温度、湿度监测等(采样时间间隔5分钟);

根据下白石大桥健康监测的基本思路、监测要求、连续刚构桥的特点以及传感器的选择原则,用于下白石大桥健康监测的仪器类型和数量如表 2。

表 2 下白石大桥监测传感器选型

监测测点布置参见附件一,各类传感器安装及保护参见下图 3。 3.3监测系统的主要特点 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

分布式数据采集系统,光纤传输数据,采集子站与总控制器的扩展距离可达数公里; 防尘机箱最大限度满足野外及恶劣环境的使用; 断电自动恢复和错误报告功能;

以工控机为基础的硬件和软件环境,实时显示监测结果; 中文视窗WinNT/2000/XP操作系统下32位采样和分析软件; 每台计算机最多可控制512个测点;

每通道独立放大器,大大提高了系统抗干扰能力;

(8) (9) (10) (11) (12)

前置调理器,增加系统抗干扰能力;

直流供桥,自动平衡,平衡结果保存对意外断电具有恢复功能; 星型结构保证系统的相对独立;

全桥系统多参数、多测点并行全同步采样; 网络采集,实现采集分析自动控制。

(a)普通应变计和光纤应变计 (b) 加速度传感器

(c)动位移传感器 (d) 传感器防护盒

(e)拉线位移传感器 (f)箱外温度传感器

图 3 传感器的安装和防护

四、系统各项目技术指标

4.1 在线监测系统数据采集器技术指标 4.1.1应变测试技术指标 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26)

输入阻抗: 1MΩ∥40PF;

输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护; 输入方式: DC差分(1/4桥方式); 可接入的信号:应变传感器信号; 满度值:±500με;

系统准确度: 小于0.5%(F.S)(预热半小时后测量); 系统稳定度: 0.05%/h(同上); 线性度: 满度的0.1%; 失真度: 不大于0.5%; 最大信号带宽: DC~10Hz;

噪声: 不大于2μV(输入短路, 在最大增益和最大带宽时折算至输入端); 共模抑制(CMR): 不小于100dB;

共模电压(DC或AC峰值): 小于±4V、DC~60Hz;

时间漂移: 小于3μV/小时(输入短路, 预热1小时后, 恒温, 在最大增益时折算至输入端);

温度漂移: 小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内, 输入短路,在最大增益时折算至输入端);

滤波器滤波方式:模拟虑波; 滤波器截止频率:28Hz; 滤波器阻带衰减:约-24dB/oct;

滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB; 供桥电压:2V;

适用应变计电阻值:120Ω;

平衡范围: ±10000με(应变计阻值误差±2%); 通道隔离度:90dB;

A/D分辨率: 14位A/D转换器;

每测点采样速率:1Hz,2Hz,5Hz ,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz; 电源: 220V±10%(AC);50Hz±2%;最大功率30W;

4.1.2加速度测试技术指标 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

输入阻抗: 1MΩ∥40PF;

输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护; 输入方式: DC单端; 可接入的信号:941BA信号; 满度值:±1g;

系统准确度: 小于0.5%(F.S)(预热半小时后测量); 系统稳定度: 0.05%/h(同上); 线性度: 满度的0.1%;

(9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23)

失真度: 不大于0.5%; 最大信号带宽: DC~40Hz;

噪声: 不大于2μV(输入短路, 在最大增益和最大带宽时折算至输入端); 共模抑制(CMR): 不小于100dB;

共模电压(DC或AC峰值): 小于±4V、DC~60Hz;

时间漂移: 小于3μV/小时(输入短路, 预热1小时后, 恒温, 在最大增益时折算至输 入端);

温度漂移: 小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内, 输入短路,在最大增益时折算至 输入端);

滤波器滤波方式:模拟虑波; 滤波器截止频率:60 Hz; 滤波器阻带衰减:约-24dB/oct;

滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB; 通道隔离度:90dB;

A/D分辨率: 14位A/D转换器;

每测点采样速率:1Hz,2Hz,5Hz ,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz; 电源: 220V±10%(AC);50Hz±2%;最大功率30W。

4.1.3动位移测试技术指标 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22)

输入阻抗: 1MΩ∥40PF;

输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护; 输入方式: DC单端; 可接入的信号:941BD信号; 满度值:±100mm;

系统准确度: 小于0.5%(F.S)(预热半小时后测量); 系统稳定度: 0.05%/h(同上); 线性度: 满度的0.1%; 失真度: 不大于0.5%; 最大信号带宽: DC~10Hz;

噪声: 不大于2μV(输入短路, 在最大增益和最大带宽时折算至输入端); 共模抑制(CMR): 不小于100dB;

共模电压(DC或AC峰值): 小于±4V、DC~60Hz;

时间漂移: 小于3μV/小时(输入短路, 预热1小时后, 恒温, 在最大增益时折算至输 入端);

温度漂移: 小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内, 输入短路,在最大增益时折算至 输入端);

滤波器滤波方式:模拟虑波; 滤波器截止频率:15 Hz; 滤波器阻带衰减:约-24dB/oct;

滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB; 通道隔离度:90dB;

A/D分辨率: 14位A/D转换器;

采样速率:1 Hz,2 Hz,5 Hz ,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz;

(23) 电源: 220V±10%(AC);50Hz±2%;最大功率30W。

4.2 在线监测系统采集控制器技术指标

(1)

(2)

(3)

(4)

(5) 与计算机的接口方式:IEEE-1394 与数据采集器的通讯方式:FC-SC光纤通讯 电源:220V±10%(AC);50Hz±2%;最大功率60W。 外型尺寸:标准2U机箱 工作环境:置于密封防尘服务器标准机柜(带玻璃观察口)中

数据采集箱参见下图 4。

图 4 监测系统数据采集箱

4.3 在线监测系统远程收发控制模块技术指标

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

接口方式:RS232 通讯条件:收发双方必须接入电话网络, 通讯方式:借助公用电话网,利用MODEM拨号进行远程数据传输 电源:9~ ~36V(DC);MODEM自带 外型尺寸:通用外置调制解调器标准

五、系统单元模块的连接

下白石大桥健康监测硬件系统的构成参见下图 5。

5.1数据采集器与采集控制器之间的连接

数据采集器与采集控制器之间是通过多模光缆进行连接的。而在数据采集器的内部,是从采集器的底板上引出一根信号线(带7芯接头),然后连接至采集箱内部右下方的光纤转换器的H接头(在前面的部分已对此进行过详细的描述)。而光纤转换器则是通过带有光纤接头的光缆连接至控制器的。具体接法:把带有标识A的光纤接入白色接头内,带有标识B的光纤接入黑色接头内,在连接时要特别注意,必须轻拔轻插,并保证光纤接头不要沾到灰尘等脏物,也不可用手触摸,以免接头损坏或被弄脏后影响甚至中断正常的通讯。

5.2采集控制器与下机位采样计算机之间的连接

采集控制器与下机位采样计算机之间是通过IEEE-1394来实现连接通讯的,它控制了整个系统的数据采集,传输,处理及保存工作,是系统连接重至关重要的一个环节。

5.3静态采集系统与下机位采样计算机之间的连接

静态采集箱之间采用485通讯线串联的方式,每个机箱都有扩展输入和扩展输出2个DB-9的通讯接口,在信号线靠近计算机的位置引出一根通讯线,连接到485转232的转接卡上,然后再接入计算机,以实现数据传输与通讯控制功能。

5.4采样计算机与显示计算机之间的连接

采样计算机与显示计算机连接示意图如下图 6所示:

图 5 下白石大桥健康监测系统构成

图 6 采样计算机与显示处理计算机连接

值得注意的是:在以太网光纤转换器连接到光纤终端盒时要注意连接的顺序问题,其连接的原则为:桥上的转换器的RXD(接收数据)接口对应中控室转换器的TXD(发送数据)接口,桥上的转换器的TXD接口对应中控室转换器的RXD接口,转换器的RXD与TXD的指示灯都亮表示通讯正常。实际采集计算机(下位机)与处理计算机(上位机)如下图 7所示。

图 7(a) 采集计算机 图 7(b) 处理计算机

5.5远程控制网络的连接

远程控制网络连接示意图如下 8所示:

图 8 监控室与远程办公室网络连接

远程控制是通过调制解调器拨号进入网络,然后利用公用电话网进行数据的传输,其优点就是简单,方便,实用性高,并且是单独进入网络,一般不会受到网络病毒的攻击,安全性高,可以使系统长期正常的运行。建立远程控制网络的主要目的就是把监控用计算机每天生成的日报表文件通过此网络传输至远端,这样就可以每天都能观察到整个监测系统的运行情况,并能拿到一些很重要的信号特征值,及时的判断出桥梁的状态,便于对一些突发事件进行迅速有效的处理。

六、监测控制软件

6.1监测软件基本功能

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

控制通道参数设置,采集时域波形,实时存入具有时间标识的文件; 桥梁荷载实验数据记录表格(静载,环境激励,强迫激励); 实时监测显示功能:可同时打开8个显示窗口,每个窗口可显示4条曲线,可自定义显示模板,图形格线、曲线、光标、标记、注释; 系统软件的采集数据回放功能; 采集曲线的峰峰值,最大值,最小值,平均值统计及方差运算; 特别信号的安全预报警功能; 海量数据的存储,特征信号的分析、提取及保存; 信号实时分析,并统计和提取信号特征值存入数据库; 软件日报表的产生;

(10)

(11)

(12)

通过远程控制模块发送日报表、系统状态等信息至数据中心及远程控制采集; 软件中各通道测点情况的详细描述; UPS不间断电源的远程控制管理。

6.2监测控制软件系统分布

监测控制软件在该系统的分布如下:数据采集软件布置在下位机上(如下图 9),通过1394接口对仪器中的数据进行实时采集(静态、动态采样端)。控制、显示软件和实时分析软件布置在监控室计算机上,和下位机通过以太网连接,监控室能实时显示各测点的时域波形,实时存盘,根据存盘间隔,定时分析实时时域数据,将分析结果存入后台数据库(静态、动态显示端,数据分析及数据库)。数据远程控制软件布置在业主或者学校的计算机上,通过电话网络(宽带网络)和大桥监控室的计算机相连接,采用了数据压缩、网络快速传输和快速存库技术,使远程数据回收速度达到最快(远程数据控制及数据库管理),并达到中控室无人值守、不定期派人检查、办公室控制和回收数据的目的。

图 9 下白石大桥健康监测系统分布

6.3软件功能介绍

1数据采集软件(后台程序——下位机软件功能):

完成数据的采集,将仪器中的数据传输到下位机的内存中,但不存入硬盘,然后将实时时域数据通过以太网发送到监控室计算机内存中。下位机软件不断地检测网络状态,当发现网络有问题时,将自动停止所有仪器的采样。下位机软件具有上电自运行功能,计算机启动后,自

动进入待命状态,等待上位机(监控室)软件发送控制命令,同时下位机软件具有检测上位机软件是否有异常,如人为强行关闭程序,上位机掉电等情况,下位机能自动复位,随时进入正常的运行程序,无须人工干预。传输的实时数据数据量,可以通过监控室软件行配置,当某个采集仪出现异常或随机拆除某个采集仪,下位机和上位机软件将自动调节,保证数据的传输的准确性。在采集的过程中,当下位机突然采不到数据,下位机将控制计算机重新启动,软件也将自动重启,并处于监听状态,等待上位机连接,在重启过程中,上位机可以监测到这一变化,上位复位所有操作,并进入连接状态,上位机启动好之后,上位机发现下位机软件已就绪,立即建立新的连接,并自动进入采集程序。由于下位机布置在大桥上,人工干预很不方便,故软件的可靠性是很重要的一个指标。

2、控制、显示与实时分析软件(上位机软件功能)

完成一些基本功能,大桥上相应测点的时域波形实时显示,存盘,控制功能等。主软件界面如下图 10(a)。

图 10(a) 下位机采集主界面 图 10(b) 上位机软件设置界面

由于下白石大桥监控室基本上无人值守,故软件也要有处理各种异常的能力,以保证整个系统稳定可靠的运行。目前软件能自动处理的异常如下:(a)上位机掉电,系统在上电后能自动起来,软件自动运行,并不断连接下位机,直到连上为止,连上后,系统自动发送采样命令,完成数据的采集,存盘。考虑到长时间存盘,只有将每个数据项目(以当时的时间作为工程名)按设定的时间间隔存盘,防止数据文件太大,会导至系统不稳定,还有数据分析起来比较困难,故可以根据用户的要求进行存盘间隔的设置(即采集过程中,多长时间更换一个文件夹)。(b)下位机如果出现异常(比如大桥上停电),采集系统已关闭,上位机软件能自动检测到这一变化,复位所有的操作,开始连接下位机,直到与下位机建立连接,进入正常的数据采集程序。(c)上位机软件在出现内存申请不成功,硬件接口控制不成功等异常后,都将自动复位,尽量避免人工干预。

下白石大桥健康监测系统是动态采集和静态采集融合在一起控制的系统,所在软件系统须考虑它们之间的控制顺序,达到统一控制和数据采集的功能,用户只要做简单的设置,就能开启整个数据采集系统。

上位机软件还具有自动平衡功能,包括动态采集系统和静态采集系统,用户设置一个定时平衡时间(尽量选择不重要的以及温度适中那段时间,平衡时需要关闭采集系统的,故那段时间将没有数据),软件系统检测到用户设置的时间到了之后,将自动停止动态和静态系统的采样,并发送动静态系统的平衡命令,平衡之后,系统又将进入正常的采集程序。

上位机软件可以通过配置文件指定下位机传输哪些通道的数据,并自动和大桥上的位置相对应。上位机软件设置界面如上图 10(b):

由于健康监测系统,长时间运行,数据量很大,对下白石大桥来讲,320G的硬盘,只能存储一个月左右的数据,用户定期来拿原始时域数据的时候也比较麻烦,故本系统采用的实时压缩数据的功能,数据量将减少为原来的1/8,一样大的硬盘可以存储一年多的数据,将给用户带很大的方便。设置参数如下:

(a) 主机IP地址――――下位机在以太网中的固定IP地址。

(b) 存盘路径――――设置所有数据存储在上位机的位置。

(c) 文件夹数――――保留最近的几个文件夹,超过这个数的,系统将自动删除,以相应时间段的压缩文件存储在硬盘上,减少存储空间。

(d) 存盘间隔――――系统将根据用户设定的时间,自动建立新的数据工程。如果存盘间隔是60分钟,采样时间是10:00,那么第一个数据工程将根据当天的年、月、日、时、分、秒为工程名字,所有的数据都存储在这个工程下,当采样时间到了60分钟,系统又将自动将修改,也就是11:00时,依此类推,每个数据工程的数据量为60分钟。

(e) 定时平衡――――用户输入需要系统定时平衡时间,系统将在每天的这个时候平衡动静系统。

分析软件与上位机布置在同一台计算机上,分析软件主要功能是接收上位机采集软件的触发信号,当上位机软件重新建立工程时,将上一次的工程所在路径发送给分析软件,分析软件通过这个路径对其中的数据进行分析,分析主要包括这批数据的最大值、最小值、峰峰值、平均值等,并分析出这批数据的频谱,分析完之后,将分析的结果存入数据库,以备远程连接时,将分析好的数据传输到福州大学或者大桥管理部门。

分析软件还完成压缩功能,即分析完后将分析的时域数据压缩打包,并删除压缩之前的数据。

6.3远程控制与数据管理软件

基本功能:回收数据,即根据用户选定的时间段,通过电话线连接到监控室,将这段时间的分析结果回收到远程的计算机上,用户可以显示一段时间的趋势图,频谱等。并远程检测大桥端计算机的状态,用户可以远程控制大桥上系统的采样,停止功能,主界面如下图 11。

当用户需要回收一段时间的数据时,点击网络连接(图 12(a)),系统将自动检测大桥上是否在采样,以决定开放给用户的操作接口,如果正在采样,用户可以停止采样,如果不在采样,用户可以启动采样。

图 11 远程控制与数据管理软件主界面

图 12(a) 远程控制软件界面 图 12(b) 远程数据管理界面

当网络连接成功后,用户可以点击数据回收,将出现如上界面(图 12(b)),用户点击回收,远程系统将监控室数据库中的数据传输到数据管理程序的数据库系统中,用户可以查询各个测点的数据。

6.4 UPS不间段电源

电源通过RS22与计算机相连,当市电停了以后,电源将发送命令通知采集软件,以做一些相应的处理,不间段电源的主要作用是,在刮起台风,地震等一些自然灾害时,在市电停了的情况下,能够使系统继续工作,以取得一此宝贵数据。

整个系统的控制流程如下图 13:

图 13 下白石大桥监测控制流程

七、监测初步结果及分析

1 实测时程曲线

设备安装完成后整个系统能够正常运行,采集到的跨中测点的动应变、加速度、动位移时程曲线如图 14(取2007.年5月9号数据),实时信号具有良好的信躁比。

2 定期监测结果

跨中截面桥面温度、箱内顶板和底板温度时程曲线参见图 15,箱内的温度基本不变,保持在25℃左右;箱梁底板的一天内温差10℃;桥面温度一天之内的变化比较大,昼夜温差超过25℃。

靠近宁德侧支座纵向位移随时间变化参见图 16(取2007.年5月9号数据),纵向拉线位移一天之类最大位移为1.191cm,基本上能回到原先状态。

与2004年3月观测的线型挠度值比较(图 17):左右幅第六、七跨均出现下挠,下挠值范围0.00cm~4.73cm,第五、八跨均出现上挠,最大值0.99cm;左右幅挠度的趋势基本一致,右幅第七跨下挠最大,下挠值为4.74cm。与2005年1月观测的挠度值比较,第五、八跨均出现上挠值变小,上挠变小的最大值为0.66cm;第六、七跨均出现下挠值变大,下挠值变大的最大值为3.53cm。

(a)动应变时程

(b)加速度时程

(c)动位移时程

图 14跨中测点的时程曲线

图 15 箱梁温度随时间变化

图 16 靠近宁德侧支座纵向位移随时间变化

(a)左幅外侧线型比较

(b)右幅外侧线型比较

图 17 两年来主桥线型变化

3 实时监测结果

根据监测采集到的信号进行了处理,得到了该桥的振型和频率。其中实测振型与计算计算振型的比较见图 18;一天内实测频率的变化(按每小时数据处理)见图 19。由此可以看出:

(1)24小时内,桥梁的竖向和横向频率发生明显变化:(a)横向频率一阶变化率2.7%,二阶频率变化率1.5%;(b)竖向频率一阶变化率9%,二阶频率变化率6%,三阶频率变化率5%,四阶频率变化率3%,五阶频率变化率1%,六阶频率变化率1%;(c)纵向频率:纵向一阶频率6%,纵向二阶频率2%。

(a)横向计算振型与实测振型的比较

(b)竖向计算振型与实测振型的比较

(c)纵向计算振型与实测振型的比较

图 17 计算振型与实测振型比较

(a)竖向频率变化

(b)横向频率变化

(c)纵向频率变化

图 18 一天内频率随时间变化

31

八 系统的操作、维护及故障解决方案

1系统的启动

下白石大桥在线监测分析系统在桥梁现场安装调试完成后,检查各信号连接线、模块之间的接插件连接是否可靠,对应关系是否正确后,即可上电工作。上电方法为:打开各现场采集器、中央控制器模块的电源开关,然后打开全系统集中供电的总电源开关,系统各模块即自启动,进入工作准备状态,在中控室操作控制软件,即可查找到各机箱、各通道,按软件操作说明输入对应的传感器灵敏度,并对通道进行设置、平衡、采样、分析等一系列正常操作;同时需要做好系统的防病毒处理和保护。

2系统的维护

下白石大桥在线监测分析系统在桥梁健康监测运行的现场环境较普通室内的环境要恶劣,四季温差较大且存在振动、灰尘等不利因素,部分测点还在风雨环境中使用,因此监测设备运行过程中要进行必要的定期检查和维护,如定期上桥检查设备防护是否良好,有无进水、积灰等情况,线缆设备等的固定防护是否良好,经过长期振动、大桥伸缩及温度变化后线缆是否有松动、拉得过紧等现象,必要时进行整理、清理,光缆注意不能弯折,特别是中央控制器的通风口要保持畅通,如有机会要及时清理,以保障设备长期可靠运行。

3系统常见故障及解决方案

此系统在运行过程中会由于环境或者元器件提前损坏等因素出现一些故障,对于一些简单故障因尽可能及时找到原因并给予修复,现简单介绍下系统一些常见故障,并给予解决方案。

3.1关于查找机箱号的问题

在此系统运行过程中,很有可能会出现找不到机箱的情况,其具体有以下两种可能:(1)找不到所有的机箱号码;(2)找不到部分机箱的号码。

3.2关于采集过程中信号不正常的问题

在系统的运行过程中,如果能正确的查找到对应的机箱,但是采集到的信号不正常,则需要对信号进行具体的分析判断,以确定是什么原因,再根据原因对问题做针对性处理:

(1) 单个通道的信号出现问题:这种情况问题可能出现的地方在:传感器,传感器的信号

线或者是采集箱的采集通道。首先,打开采集箱盖门以后,先检查每个信号连接线是否正常是否有短路,断路等现象的出现,然后再看每个通道的焊点是否有虚焊,漏焊或者是脱落等现象的出现。如果没有以上问题的发生,则把有问题的通道上的信号线连接到相邻的一个采数正常的通道上(必须是同种类型的,应变、加速度、动位移通道之间不能互相调换使用),然后观察这个通道的信号采数是否正确,如果正确了,则说明是采集通道出现了问题,如果仍然有问题,则说明是传感器或者是传感器的信号线出现了问题,就需要打开传感器的保护盖,对传感器进行排察,以确定是否是传感器损坏。并且需要对信号传输线进行检查看传输线是否损坏。

(2) 一个机箱上的所有通道或是大部分通道出现了问题:这种情况的问题可能出现的地方

在:采集器采集通道所对应的控制卡上面。如果在数据采集的时候,每个控制卡下方所对应的采集通道有多个出现信号采集不正常的情况(特别是出现连续的2个通道采数不正常,而且现象基本相同),此时应该试着更换一个对应的控制卡(更换时应该注意可调编号器的对应问题),然后再重新采数,看信号是否正确。如果是这个采集箱上所有的通道信号采集都出现了问题,则尝试着更换采集控制器的控制通道,检验是否是控制通道出现问题。

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