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桥梁健康监测设计及灾害预警方案

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  • 更新时间:2017-05-23


监测的目的

桥梁监测的目的,就是应用由现代控制理论建立起来的控制体系对大桥主梁各节段施工的预拱度、立模标高及结构内力实施有效控制,分析所发现的影响因素,并在施工过程中减少甚至消除其影响,确保施工过程安全,保证大桥顺利合龙及运营后桥的内力和线形符合设计要求;以及对建成后的大桥在使用过程中的健康状况进行实时监控,对所得数据进行分析,为评估桥梁健康状况提供依据。

监测的意义和必要性

众所周知,桥梁跨越山谷、道路、河流或其它障碍物,是一种架空于水面或地面的人造通道,其可靠性和安全性尤为重要。由于桥梁事故的破坏性巨大,不仅会造成交通中断,影响国民经济发展,还会带来巨大的经济损失和人员伤亡,将造成非常不好的社会政治影响。下面是我国近年来发生的桥梁安全重大事故:

1994年10月2日,中国广东省一家娱乐公园的一座浮桥的栏杆断裂,导致桥上游客全部坠毁,33人在事故中丧生。

1999年1月4日,中国重庆綦江县彩虹桥发生了坍塌事件,造成至少40人死亡。

2007年6月15日,中国广东佛山发生一起运沙船撞击桥墩事件,造成大桥南岸200米桥面坍塌,多辆汽车坠河,10人死亡。

2013年7月9日,中国四川江油老青莲大桥垮塌,造成10辆机动车坠入河道,12人失踪。

这些灾难的发生,引起了人们对桥梁健康的极大关注。鉴于桥梁的特殊性与复杂性,国际上开展了相关的对策研究。在桥梁设计方面,设置先进、可靠的综合健康状态实时监测系统,对出现的安全隐患能够快速反应,能够达到从探测、报警、联动控制直至消除安全隐患的全方位一体化要求,实现对桥梁关键部位的温度、应变(应力)、振动(加速度)、缝隙变化、地下水位变化、索力变化等各项参数的综合实时监测,并根据监测数据由监测系统判断桥梁的健康状况。

这样,桥梁养护工作人员可以实时真实地了解到桥梁的安全状态,为桥梁上的各种活动提供可靠有效的参考依据,进而通过提供所需要的早期危险报警和损伤评估来保证桥梁的安全,从而大大增强桥梁的生存能力。

因此建立一个以桥梁结构为平台,应用现代传感、通信和网络技术,优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统是非常必要的,也具有非常重要的意义。

监测对象及内容

环境监测:环境监测主要为温度、湿度、风速(大跨径桥梁)、雨量(雨水和地表水通过地表垂直和侧向渗透)、孔隙水压力、土壤水分等,主要采用温度计、湿度计、风速传感器、雨量计、孔隙水压计、土壤水分计等;

变形监测:变形监测主要针对沉降、水平位移、倾斜度等进行监测,主要固定式测斜计、静力水准仪、裂缝计等;

应力应变监测:主要针对混凝土结构表面、内部应变、钢筋受力、钢索受力等。主要采用混凝土应变计、钢筋计、锚索计等;

桥面交通载荷监测:监测的主要内容包括交通载荷的轴数、车速、轮重、轴重、总重等信息。测量数据结合桥梁基础实时监测数据,形成车重影响桥梁参数数据模型。

监测系统架构

桥梁监测系统架构是通过内部结构中的传感器网络来实时获取工程内部结构对环境激励(人为的或自然的) 的响应,并从中提取工程结构的损伤和老化信息,为工程的使用和维护工作提供参考,因而可降低维护费用,预报灾难性事件的发生,将损失降低至最小。

 桥梁健康监测系统的基本要求,包括监测数据自动采集、无线传输,原始监测数据的实时处理,形式多样的实时报警功能,事前预控提高效率等。

对于桥梁健康监测的关键,就技术上而言,主要是先进传感器的优化布设和信息的高效传输;就理论上而言,主要是结构识别理论和状态评估理论的发展。

图为:桥梁监测系统架构图

桥梁健康监测系统应包括以下几个部分:

传感系统:由传感器、二次仪表等部分组成,用于将待测物理量转变为电流、电压、电阻、钢弦、频率等信号。

信号采集与处理系统:实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理,并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数,以一定的形式存储起来。

 通信系统:将处理过的数据传输到监控中心。

 监控中心和报警设施:利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断,包括工程结构是否受到出现损伤等。传感器监测到的实时信号,经过采集与处理,由通信系统传送到监控中心进行分析,判断损伤的发生、位置、程度,从而对结构的健康状况作出评估。如发现异常,发出报警信息。

图为:传感器布设三维展示图

监测设备布局

本项目以桥梁为监测对象,开展监测方案设计。主要监测项目包括环境监测、变形监测、应力应变监测、桥面交通荷载监测等。根据桥梁实际跨度,确定传感器布设密度,布设位置。相关布设原则如下:

(1)由于主跨承载力较大,选取主跨为主要布设断面,布置动态称重系统及自动化监测传感器,普通跨度断面适量布设监测传感器,不设置动态称重系统;

(2)对环境的监测,温度计安装在塔梁接合部、跨中、主跨1/4跨、索塔1/2高度处;空气温度安装在塔梁接合部外部、跨中箱梁内外部;风向风速仪安装在桥塔高出,一个主跨断面布设1个;孔隙水压计和土壤水分计安装在桥头两端与桥梁结合部分,监测此部分地下渗水情况。

(3)变形监测:断面墩体之间伸缩缝隙处布设测缝计;墩体上布设倾角传感器4个;静力水准仪固定在断面墩体两侧,在主跨两端以及1/2处布设,监测主跨中断挠度变化。

(4)应力应变监测:各断面主梁及墩体内部在桥梁施工期间预埋钢筋计和混凝土应变计,各8—10个。测量结构内部钢筋受力情况及混凝土应变情况,施工期间结构内部应力监测及后期运营监测。锚索计主要安装在斜拉桥边索和中间索部位。

(5)桥梁路面情况监测:桥梁两端入口处分别布设一套道路动态实时监测系统,对桥梁运营期间过往车辆所产生的交通荷载进行实时监测。

数据管理中心及

软件平台

图为:数据管理中心概念图

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软件平台

系统介绍:本软件是为四川奇石缘科技股份有限公司管理土木项目数据而编制的,软件的主要目的是为土木健康分析和大数据处理奠定基础,本系统是独立的,目前不与任何系统和其他系统提供接口,所产生的输出都是独立的。本系统将使用SQL Server作为数据库存储系统,数据库本身不提供直接的操作和访问,对数据库的访问是通过程序来进行的,操作人员可以不关心数据库的存储。该系统提供了用户、角色、权限、项目和文档的管理功能,包括这些数据的计算机查询和显示。

系统功能:可查看工程项目信息、项目图表、项目日志、项目文档等资料。可进行时间地温、深度地温、沉降、应力应变等通用的一些数据分析。例如地温时间曲线,选定需分析的传感器或者是一组传感器,设定需要分析的时间范围,画出曲线。方便直观的查询已有的原始数据,且可以一键导出到word文档,根据这些原始数据进行专业、科学分析后预测路基沉降变化规律,便于提前预警。一旦数据发生异常,系统自动发送异常通知至管理员邮箱,及时得到解决。

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平台预警

本系统设置三级报警机制,一级报警机制主要针对于短时间、异常、大幅度的参数波动,二级报警机制主要针对于长期、小幅度渐变的参数波动,三级报警机制主要针对于根据数据模型分析出的潜在健康灾害预警信息。

桥梁监测对象主要为:沉降、位移、倾斜、应力等。针对这些物理量,根据规范设置预警值,当数据采集过程中监测到变化量达到预警值,系统立刻作出预警,通过通过短信或邮件的方式直接反馈给管理人员,并及时采取有效防范措施,避免事故的发生。



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