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既有钢管混凝土拱桥实时监测评估 系统 陈钒 7 9 文 章编 号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 7 9 0 5 既有钢管混凝土拱桥实时监测评估系统 陈 钒 ( 中铁西南科学研究院， 四川 I成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘 要：既有钢管混凝土拱桥 实时监测评估 系统是对桥址处的温度场、 大桥 的交通荷载状况 及 桥 梁的静 、 动 力效应 实时监 测 ， 评 估桥 梁主 体 的运 营状 况 。该 系统 主要 由状 态监 测 、 损 伤报 警 和 性能评估及辅助决策子 系统构成， 能 自动采集、 分析和评估 结构各类状态数据； 判 断异常状态并报 警； 自动探查采集 系统故障； 灵活设置数据采集时段 ， 长期全面记录桥梁的受荷及响应历史； 适时响 应中控 中心指令 ， 实时查询、 分析桥梁的运营状况。通过计算确定传感器的合理布置位置； 远程数 据传输采用有线数据传输方式。运行结果表明， 该 系统实现 了既有钢管混凝土拱桥运营状 况数据 和 图像 的实时联 动采 集、 实时 自动传输及桥 梁运 营状 态的远程 实时 自动监测 、 性 能评 估和安全预 警。 关 键词 ： 拱 桥 ； 钢 管混凝 土 结构 ； 监 测 ； 监 控 系统 ； 运 营 ； 评估 中图分 类号 ： U4 4 8 2 2 ； U4 4 6 3 文献 标志 码 ：A A Re a l Ti m e M o ni t o r i n g a n d As s e s s me nt S y s t e m f o r Ex i s t i ng CFS T Ar c h Br i d g e s CHEN Fn n ( Ch i n a Ra i l wa y S o u t h we s t Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，Ch i n a ) A b s t r a c t ：Th e r e a l t i me mo n i t o r i n g a n d a s s e s s me n t s y s t e m f o r e x i s t i n g c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e( CF S T)a r c h b r i d g e s i s a s y s t e m t h a t i s u s e d f o r mo n i t o r i n g t h e t e mp e r a t u r e f i e l d s a t b r i d g e s i t e s ，t h e t r a f f i c l o a d c o ndi t i o ns，t h e s t a t i c a nd d y na mi c e f f e c t o f t he b r i dg e s a nd a l s o f o r a s s e s s i n g t he op e r a t i on s t a t us o f t h e pr i n c i pa l s t r uc t ur e s o f t h e br i d ge s The s ys t e m i s ma i nl y c omp os e d o f t he c o nd i t i on m o n i t o r i ng，da ma ge a l a r m i n g， pe r f o r m a nc e a s s e s s m e nt a n d a u xi l i a r y d e c i s i o n s u b s y s t e ms Th e s y s t e m c a n a u t o ma t i c a l l y a c q u i r e ，a n a l y z e a n d a s s e s s t h e d i f f e r e n t c o n d i t i o n d a t a o f t h e b r i d g e s t r u c t u r e s ，ma k e j u d g me n t o f a n d a l a r m t h e a b n o r ma l c o n d i t i o n s ，a u t o ma t i c a l l y d e t e c t a n d a c qu i r e t h e ma l f u nc t i o n o f t he s ys t e m i t s e l f ，f l e xi b l y s e t t he t i m e s e c t i o ns of da t a a c qu i s i t i o n，r e c or d i n a l o ng t e r m a nd a l l r ou nd wa y t he l oa d a n d t he r e s p on s e hi s t o r y o n t he b r i d ge s ，r e a l t i me i nq ui r e a n d a n a l y z e t he o pe r a t i o n c on di t i o ns of t he br i d ge s，de t e r mi ne t he r a t i on a l l oc a t i o n s o f l a y o u t o f s e n s o r s t h r o u g h c a l c u l a t i o n a n d r e mo t e l y t r a n s mi t t h e d a t a b y t h e wi r e d d a t a t r a n s mi s s i o n Th e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m s h o ws t h a t t h e s y s t e m h a s r e a l i z e d t h e r e a 1 t i me l i n k a ge a c qu i s i t i o n a nd a ut oma t i c t r a n s mi s s i o n o f t h e d a t a a nd i m a ge s of t h e CFST a r c h b r i dg e s a s we l l a s t h e r e m o t e a u t o ma t i c mo ni t o r i n g，p e r f or ma nc e a s s e s s me n t a nd s a f e t y a l a r mi n g o f t he op e r a t i o n c o n di t i on s o f t he b r i dg e s Ke y wo r ds ：a r c h b r i dg e；c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u be s t r uc t ur e ；m o ni t o r i ng；mo ni t o r i ng s y s t e m ； o pe r a t i o n；a s s e s s m e n t 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 0 9 作者简介 ： 陈钒( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 9 7年毕业于西南交通大学建筑工程专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 5年毕业于西南交通大学结构工程 专 业 ， 工 学 硕 士 ( c s c 1 0 3 7 1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 桥梁建设 2 0 1 0 年第 1 期 1工程概 况 既有钢管混凝土拱桥实时监测评估系统的依托 工程位于成都市某交通干道上， 上跨铁路编组场， 为 下承式 钢管 混凝土 系杆拱 桥 ， 拱轴线 为悬链 线 ， 拱轴 系数 m一1 3 4 7 ， 矢跨 比为 1 5 ， 矢 高 6 4 m， 桥长 1 3 3 7 m， 主拱计算跨度 1 3 2 m。钢管拱为等截面， 由 1片中肋、 2片边肋组成 ， 拱肋 由直径 1 1 0 C l T I 腹 箱组成哑铃形结构。拱肋 吊杆采用无粘结钢绞线， 共设 3 2 1 组 。系杆采用无粘结预应力钢绞线， 共 设 6 4根， 置于纵梁 内， 两端端节点 为 自由粘结体 。 该桥设计荷载为汽一超 2 0 ， 挂 一1 0 0 ， 人群荷载 3 5 k N m。 ， 于 1 9 9 7年建成通车 。桥梁全貌见图 1 。 图 1 桥梁全貌 2 基于 网络 的桥梁 实 时监测及 性能 评估 系统设 计 2 1 基本 目标 该系统的基本 E l 标是通过对该桥在营运状态下 结构响应的实时监测， 达到对桥梁结构 主体进行运 营性能状况评估 ， 从而实现对大桥在特殊气候 、 交通 条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号 ， 为桥梁养护 、 维修与管理决策提供依据和指导。 2 2 桥梁现状对“ 实时监测及性能评估 系统” 的要 求 及解决 方 案 该桥跨越大型铁路编组场 ， 电气化铁路干线运 行 中将产生强大的瞬间电磁场， 严重影响数据采集 部分电磁敏感元件 的正常工作 ， 因此要求系统数据 采集部分包括安装在电磁场的传感器和传输线路设 备的电磁敏感性必须为中性。该系统采用光纤传感 器采集数据， 光纤作为传输线路 ， 视频采集部分的摄 像装置采用 高屏蔽摄 像头 ， 数据 转换装 置采 用光 端机 。 由于为既有桥梁 ， 施工过程无法追溯 ， 运营 8年 未进行过系统的检测 ， 桥梁的运营状况不明， 在此情 况下要对结构的运营状态进行实时监测 ， 对性能进 行实时评估 ， 要求采用的评估方法具有一定 的安全 保证， 能包络施工和运营过程可能存在 的损伤对结 构受力性能的影响， 为损伤修复或采取有效 的管养 措施( 如 ： 限制荷载等级和限制行车速度等) 预留足 够的时间。该系统的解决方案是采用“ 基于设计理 论的极值包络法” 进行实时评估， 能有效地满足上述 要 求 。 2 3 监测项 目、 内容及方法 该系统以结构监测与评估为 目标。在充分考虑 该桥设计情况 、 施工状况和营运历史的前提下 ， 确定 其监测项 目及 内容 1 。 2 3 1 环境监 测 环境监测主要是对温度场进行监测， 采用桥址 小气象观测原理实施 。 2 3 2 荷 载状 况监测 荷载状况监测采用视频监测系统进行 ， 主要监 测大桥 的交通荷载状况， 包括： 每天交通堵塞形 成 的次数 ； 交通堵塞发生 的位置、 持续时间和车 辆 的分布模式； 交通堵塞时的交通流量等。 2 3 3 桥梁结构静、 动力效应的监测 监测桥梁在恒载、 风载 、 地震荷载及交通荷载作 用 下 的反应 ， 以及 在 温 度 、 不 均 匀 沉 降 等作 用 下 的 反应 。 变形监测采用全站仪观测法人工定期监测 ， 主 要内容有 ： 桥 面标高变化； 拱肋 线形变化 ； 墩台沉降和拱座位移。 索力及应力监测 采用光纤传感 系统实现 。包 括 ： 吊杆索力变化； 系杆索力变化 ； 拱肋、 横 梁各关键截面的应力。 2 4 系统 组成 该系统主要 由状态监测 ， 损伤报警、 性能评估和 辅助决策子系统 3部分构成( 图 2 ) ， 其 中状态监测 部分包括数据采集子系统和视频采集子系统。数据 采集子系统主要是由光纤传感器和网络分析仪组成 的自动数据采集系统和人工定期测量数据采集系统 组成。视频采集子系统是将 网络 图像系统与该系统 的其他部分关联形成 ， 前端采集部分采用光纤连接。 损伤报警 、 性能评估部分 和辅助决策子系统 的功能 通过桥 梁健康监测报 警软件 QL C B MWS v 1 0实 现 。桥梁健康监测报警软件 Q L C B MWS v 1 0是整 个系统的中枢 ， 通过其对 系统各功能模块进行统一 调配， 使各功能模块协调工作 。 2 5 系统工作流程 该系统是基于网络的桥梁实时监测及性能评估 系统 ， 采用内部局域 网和远程监测数据传输网。由 前端数据采集分析仪作为系统的主要数据收集端 ， 负责收集 由传感器获取的数据 ； 由桥址监测室中的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 既有钢管混凝土拱桥实 时监测评估 系统 陈 钒 8 l 基于网络的桥梁运营状态 实时监测及性能评估系统 状态监测部分 I l 损伤报警、性能评估部分 数据采集 I l 视频采集 l I 数据处理和性 子系统 l l 子系统 I I 能评估子系统 IJ II II耋f f l l f J萋ff蓁lI囊 闰圉圈 图 2桥梁运营状态实时监测及性能评估 系统功能模块 控制机对采集 的数据进行误差判断后 ， 借 助为该系 分布情况 ， 确定结构 中的高应力区和易损部位等关 统专门开发 的实时监测 和性 能评估 软件 QL C B M一 键构件 。 WS v 1 0对监测数据进行分析处理， 对异 常状态进 行判断 ， 如有异常情况 ( 结构 响应超限) 立 即向中控 中心发出报警信号 ， 同时向视频系统发出录像指令 ， 以确定结构响应超 限位置， 并对结构承载能力进行 评价； 将结论发送中控中心进行储存 ， 由中心控制机 调用 辅助 决策 子 系统 进 行统 计 分 析 ， 生 成 报 表 报送 管理部门， 及时做出桥梁管养决策。 2 6 系统 功能 ( 1 )自动进行结构各类状态数据 的实 时采集 、 分析和评估 ， 对异常状态进行判断并报警 ， 自动存储 报警 时刻 的结构 参数 和桥 梁荷 载状况 。 ( 2 )自动探查采集系统故障 。采集系统长期暴 露野外 ， 极易发生故障， 该系统具有 自动探测故障并 对故障进行定位的功能。 ( 3 )灵活设置数据采集时段 ， 长期全 面记录桥 梁 的受 荷及 响应历 史 。 ( 4 )适 时 响应 中控 中心 指 令 ， 对 桥 梁 的运 营 状 况进 行 实时查 询 与分析 。 3 系统 设计 的几个 关键 问题 3 1 传感器合理布置位置的确定 结合依托工程 的特点， 该系统 的传感器优化布 设算法采用模态动能法 ， 即： 通过挑选振幅较大 或者模态动能较大的点布设传感器 。实现步骤 ： 建 立桥梁结构有限元分析模 型( 图 3 ) ， 计算桥梁结构 的频率 、 振型等整体动力特性( 该桥的 自振特性分析 采用分块的 L a n c o s方法实施特征值求解 。并提取 前 1 0阶 自振频率和振型模态。部分振型模态见 图 4 、 图 5 ) ， 根据计算 的振型形状初步确定测点 ； 较为 准确地计算在典型载荷下桥梁结构中的内力和应力 图 3空间实体有限元模型 图 4竖 向 1阶振型 图 5竖 向 2阶 振 型 根据模态动能法原理可确定该桥传感器合理布 设位置 。拱肋应变传感器和变形观测点的布设位置 为 ： 拱脚 截面 、 1 4截 面 、 拱 顶截 面 、 3 4截 面 ； 横梁 应 变传感器 、 吊杆索力传感器和桥面变形观测点的布 设位 置为 ： 桥跨 的 1 4处 、 拱顶 、 3 4处 对 应 的 吊杆 、 横梁 的相 应位 置 ； 系杆 索力 由于构 件 的特殊性 ， 只 能 利用纵梁与拱座间 8 c m的间隙安放传感器 ， 通过测 量间隙的平均变化来换算系杆索力的变化量 。 3 2 数据 远程 传输 方式 该系统的远程数据传输采用有线数据传输方 式 。视频数据和桥梁健康监测数据均通过 中国电信 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 桥梁建设 2 0 1 0年第 1 期 的专线光纤 网络传输。 3 3 桥梁 远程视 频监 测子 系统设计 3 3 1 设置视 频监 测系统 的意 义 在该桥上设视频监测系统 ， 使构件受力状态监 测系统与视频监测系统协同工作 ， 当受力状态监测 系统反映受力指标超限时， 通过视频监测 系统能获 取此刻的桥面荷载信息 ， 便于对照分析 。由此也可 用于监测超载车在桥上的行驶状况 ， 并做记录 ， 以便 为桥梁健康评估提供实证。同时 ， 便于追溯桥面 以 上的监测设备发生故障的原因( 元件 自身故 障或人 为破 坏) 。 3 3 2系统架 构 系统在前端采用星形方式实现图像分散采集与 集中编码处理， 采用网络方式实现图像远程传输 ， 能 够适应多种形式的网络方式 ( 包括专线、 ADS L接入 方式) ， 同时适应网桥 、 路 由器或者 VP N等不同类 型 的网络设 备 。 3 3 3 预警触发录像的解决 预警触发录像 通过直接的串V I 连接 ， 即桥梁状 态数据监测系统与视频服务器的串口直接连接。 3 4 监测数据分析处理及性能评估 3 4 1 基于设 计 理论 的极值 包络 法 的原 理及 优点 极值包络法的原理是 ： 有针对性地考虑具体桥 梁 的结 构特征 、 施工 状况 和运 营历史 ， 对结 构进行 空 间有限元建模 ， 以桥梁设计理论为基础 ， 进行各种最 不利荷载作用的计算分析， 对可能出现的破坏形式 进行特定的分析计算 ， 并综合考虑各种组合方式及 结构对各监测项 目的敏感程度 ， 求得桥梁在设计荷 载作用下各传感器位置的极 限控制值 ， 以评判桥梁 在运营中的动态响应情况， 从而实现对桥梁进行多 因素、 多参数 、 多状态的综合评估 。 该方法除具有简单明了、 容易理解和实现的优 点外 ， 还有以下优点 ： ( 1 )系统进行损伤报警时结构尚有一定的安全 保证 ， 为采取有效的管养措施 留有一定的时间， 避免 桥梁突然垮塌的危险。 ( 2 )系 统介 入 时 间 灵 活 ， 对施 工 状态 和 运 营 历 史依 赖性 弱 ， 适 应 我 国既 有桥梁 的现 状 。 3 4 2 “ 基 于设计 理论 的极值 包络 法” 的应用 利用 自振特性分析的空间模型考虑桥梁运营中 各种最不利荷载作用、 基础沉降和失稳破坏 ， 利用预 先研究确定的敏感系数求得桥梁在设计荷载作用下 的各传感器位置的极 限控制值 ， 将这些控制值 录入 桥梁实时监测报警软件“ QL C B MWS ” ， 与桥梁在运 营中的实时动态响应进行对 比分析 ， 据此对结构的 损伤进行报警 ， 对结构 的具体损伤构件和损伤 区域 进行定位 ， 并对结构的性能进行评估 。 3 4 3 基于网络的桥梁实时监测报警软件开发 基于网络的桥梁实时监测报警软件 ( QL C B M WS v 1 0 ) 是为该系统专 门开发的应用软件 ， 该软件 具有 3项功能 ： 对实时采集所得数据进行 同步处 理， 即从光纤 网络分析仪提供的动态链接库中获取 原始状态的监测数据进行整理分析 ； 对桥梁运营 中的实时动态响应进行分析 ， 由此对结构的损伤进 行报警 ， 对结构的具体损伤构件和损伤区域进行定 位 ， 并 对结构 构 件 的 性 能进 行评 价 ； 设 计 有 辅 助 决策子系统 ， 可方便地进行统计分析 ， 生成报表， 及 时做出桥梁管养决策。该软件既可独立运行 ， 也可 以较方便地嵌入其他的信息系统 。 根据数据采集 、 分析处理和对结构性能评估的 需要 ， 系统的功能划分为结构变位监测模块 、 结构动 静力响应监测模块 、 数据分析及报表管理模块、 系统 参数设定模块 、用户管理模块 、 窗 口管理模块 。系 统软件的功能模块 5 见图 6 。 4结 论 既有钢管混凝土拱桥实时监测评估系统 已完成 现场硬件安装 、 软件调试和各子系统的联合调试， 并 基于网络的桥梁实时监测报警软件Q L C B M W S v 1 0 结构变位监测l l 传感器监测 l l 系统管理 l l 用户管理l l 统计分析l l 窗口管理 ： i o ol IloI 图 6 基 于网络 的桥梁 实时监测报警软件功能模块 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 既有 钢管混凝 土拱桥实 时监测评估 系统 陈钒 8 3 进入运行阶段， 运行结果表明， 该系统解决了如下问题： ( 1 )实 现 了既有 钢管混 凝 土拱 桥运 营 状况 数 据 和图像的实时联动采集及实时 自动传输和桥梁运营 状态的远程实时 自动监测、 性能评估和安全预警。 ( 2 )采用模态动能法对传感器优化布设 。 ( 3 )应用“ 基 于网络 的桥梁实时监测报警软件 ( Q L C B MWS v 1 O ) ” ， 实现钢管混凝土拱桥的损伤 诊 断和性 能评 估 。 ( 4 )研发的“ 桥梁监测 和性能评估系统” 软件 ， 可根据桥梁现状进行多因素、 多参数、 多状态综合实 时监 测及 性能评 估 。 参 考 文 献 ： 1 2 3 4 邬 晓光 ， 徐祖 恩大 型桥梁 健康 监测 动态及 发展 趋势 J 长安大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 3 9 4 2 ( WU Xi a o g u a n g，XU Z u e e 1 De v e l o p me n t o f l o n g L 5 J s p a n b r i d g e h e a l t h mo n i t o r i n g J J o u r n a l o f C h a n g a n Un i v e r s i t y ( Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n )，2 0 0 3 ， 2 3( 1 ) ： 39 4 2i n Ch i n e s e ) 郭 飞连续 刚构 桥高 墩健 康 监测 的测 点 优化 研究 ( 硕士学位论文) D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 4 ( GUO F e i Re s e a r c h o f Op t i mi z a t i o n o f M e a s u r e me n t Po i n t s f o r He a l t h M o n i t o r i n g o f H i g h Ri s e Pi e r s o f Co n t i n u o u s Ri g i d F r a me B r i d g e ( M a s t e r De g r e e Di s s e r t a t i o n ) D X i a n ：C h a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 i n Ch i n e s e ) 左 云 ， 陈 明宪 ， 赵跃 字桥梁 健康监测及传感 器的优 化 布置 I- j 公路 ， 2 0 0 4 ， ( 4 ) ： 9 0 9 4 ( ZUO Yu n ， CH E N M i n g x i a n， Z HAO Yu e - y u He a l t h M oni t o r i ng o f Br i d ge s a nd Op t i ma l Pl a c e me nt o f S e n s o r J Hi g h w a y ，2 0 0 4 ，( 4 ) ： 9 0 9 4 i n C h i ne s e) 陈钒 ， 唐英 ， 杨 晓燕大跨度 中承式钢管 混凝土肋 拱桥实桥试验研究 J 四川建 筑 ， 2 0 0 4 ， ( 6 ) ： 8 1 8 3 ( CHEN Fa n， TANG Yi ng， YANG Xi a o y a n Te s t St udy of Ac t ua l Br i d ge o f Lo ng Sp a n Conc r e t e Fi l l e d S t e e l T u b e R i b T h r o u g h Ar c h B r i d g e J S i c h u a n Ar c h i t e c t u r e ，2 0 0 4 ，( 6 ) ：8 1 8 3 i n Ch i n e s e ) 杨 晓燕 ， 陈 钒谈 桥梁健 康监 测系统 软件 开发 I- J 四川建筑 ， 2 0 0 5 ， ( 5 ) ： 1 0 2 1 0 3 ( YANG Xi a o ya n。CH EN Fa nDe ve l op me nt o f So f t Wa r e f o r B r i d g e He a l t h Mo n i t o r i n g S y s t e m j s i c h u a n Ar c h i t e c t u r e ， 2 0 0 5， ( 5 )： 1 0 2 1 O 3 i n Ch i n e s e) - ， ， ， ， ， ， m l ， ， l l， ， ， ， ， ， l m， ， ， ， m， ， m， ， ， ml ， ， m ， m l m， ， ， ， ， ， ， l ， ( 上接 第 5 1页) Me x i c o ，1 9 6 9 ：3 8 5 3 8 9 3 钱家欢 ， 殷 宗泽土工原 理与计算 M 北京 ： 中国水 2 吉林 ， 冯兆祥 ， 周世 忠江 阴大桥北锚沉井 基础变位 过程实测研 究 J 公 路交 通科 技 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 3 ) ： 3 3 3 5 ( J I L i n，F ENG Z h a o x i a n g，Z H0U S h i z h o n g S t u d y o n J i a n g y i n B r i d g e No r t h An c h o r i n g S u n k S h a f t Fo u n d a t i o n D i s p l a c e me n t P r o c e s s J J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a ns po r t a t i o n Re s e a r c h a nd De v e l opme nt ，2 001， 1 8 ( 3 )：3 3 3 5 i n Ch i n e s e ) 利水电出版社 ， 1 9 9 6 4 殷宗泽 ， 朱 泓 ， 许国华土 与结构材料 接触面的变形 及其 数学模拟_ J 岩土工程学报 ， 1 9 9 4 ， ( 3 ) ： 1 4 2 2 ( YI N Z o n g z e ，ZHU Ho n g，XU Gu o h u a Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f t h e De f o r ma t i o n i n t h e I n t e r f a c e B e t we e n S o i l a n d S t r u c t u r a l Ma t e r i a l J C h i n e s e J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g，1 9 9 4。( 3 ) ：1 4 2 2 i n Ch i ne s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m