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莫桑比克Maputo大桥健康监测系统的整体架构设计

2019-2-13 15:03
原作者: 杨小刚 来自: 检师学社 收藏 分享 邀请

作者简介:杨小刚, 博士,高级工程师,主要研究方向:桥梁检测,健康监测,可靠度评估。目前担任中国路桥工程有限责任公司研发中心负责人。摘要:随着传感器技术、信号处理技术、网络技术及结构分析技术的发展,桥 ...

作者简介:杨小刚, 博士,高级工程师,主要研究方向:桥梁检测,健康监测,可靠度评估。目前担任中国路桥工程有限责任公司研发中心负责人。

摘要:随着传感器技术、信号处理技术、网络技术及结构分析技术的发展,桥梁结构健康监测技术得到不断的发展和完善。本文讨论了莫桑比克Maputo大桥健康监测系统的几个关键技术,力求将最新的技术和研究成果应用于系统的设计中,设计成技术先进,可靠适用,开放可升级的系统。讨论了系统整体架构设计,传感器的选择和布设,系统时钟同步技术以及结构评估技术,可供其他大桥健康监测系统设计参考。

1 概述
        Maputo大桥位于莫桑比克首都马普托市,由中国路桥工程有限责任公司以EPC模式建设,是我国在非洲建设的最大跨径悬索桥,具有重要意义。主桥采用重力式锚单跨双铰悬索桥方案,跨度布置为260+680+289m,全桥设两根主缆,横向间距20.6m,主缆垂度68m,垂跨比1/10。主桥加劲梁采用正交异性板流线型扁平钢箱梁,梁高 3.0m,宽(含风嘴)25.6m,主塔为门形框架结构,塔高136m,锚碇采用重力式锚碇。业主在设计需求中明确提出了建设桥梁健康监测系统的要求。
 桥梁健康监测的基本内涵[1]是通过对桥梁结构状态的监测与评估,从而为桥梁工程在特殊气候、交通条件下或运营状态严重异常时发出预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。国际上自上世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统[2][3]。我国上世纪90年代起开始在一些大型重要桥梁上建立不同规模的结构监测系统 [4,5],近年来我国新建的特大跨度桥梁几乎无一例外的建设了桥梁健康监测系统,但也必须看到,当前桥梁健康监测技术尚处于一个发展阶段,还远未成熟,桥梁健康监测系统的建设还面临诸多需要进一步解决的问题,如(1)监测系统成本高,监测精度低。需要结合网络传输技术和传感器的优化布设方法的研究来解决;(2)噪声环境下的桥梁模态识别和适用性更强的损伤识别方法的研究仍然是健康监测需要解决的核心问题;(3)智能传感器及其耐久性问题的研究;(4)重前期系统建设,轻后期评估,对于建成后采集数据的评估研究工作还严重滞后。
        尽管当前的桥梁健康监测系统中还存在很多不足以及需要解决的问题,但对于特大跨径的斜拉桥和悬索桥,由于其重要性,一旦发生事故不仅会造成巨额财产损失,还会引发严重的社会影响。且特大型桥梁结构复杂,构件多尺寸大,大部分构件难以直接靠近检查,并且现代的一些检测工具,只能提供局部的检测和诊断信息,而不能提供整体和全面的全桥结构监测和评估信息,因此在特大型桥梁上建设健康监测系统是保障桥梁安全运营,提升桥梁信息化管理水平的必然发展趋势。随着传感器技术,网络传输技术及结构损伤识别技术的不断发展,桥梁健康监测系统必将在实践的过程中不断得到完善和发展,发挥越来越大的作用。本文讨论了莫桑比克Maputo大桥健康监测系统设计的整体结构,力求将最新的技术和研究成果应用于系统的设计中,设计成一套技术先进,可靠适用,开放可升级的系统。
 
2 系统整体架构
       Maputo大桥健康监测系统包含传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、结构健康评估系统四个主要功能子系统,另外还包括保证系统安全运营的辅助系统,如供电系统、防雷系统。整个系统的组成可分为两大类:硬件和相应的软件。硬件主要包括传感器、传输设备、采集设备、服务器、存储设备、供电设备、防雷设备及附属配件、材料等组成,其结构如图1所示;软件由针对桥梁结构特点及监测内容量身定制的软件和商用软件组成,其结构如图2所示。
     

图1 MAPUTO大桥结构健康监测系统硬件总体架构图 
    

 图2 MAPUTO大桥结构健康监测系统软件总体架构图
 
 自主开发软件中模态识别软件和损伤识别软件采用了最新研究成果编制[7],是本系统的核心技术之一。由于Maputo大桥远在莫桑比克,考虑到实际情况,为了能更简单、更方便地对系统进行维护和管理,系统自主开发了基于B/S架构的Web端综合监控管理软件,用于将整个系统发布在广域网上,授权用户足不出户,通过浏览器即可了解大桥及监控中心设备工作状况,观察实时采集的数据波形,查询系统资料以及生成报表。通过该软件,无论在何时、何地,只要能上网,就能了解整个系统的工作情况,能更简单、更方便地对系统进行维护和管理。在B/S架构中的Web浏览器是客户端最主要的应用软件,程序以页面的形式运行于浏览器之上,页面通过HTTP Request向服务器发送请求,服务器接到请求后,完成绝大部分的数据处理任务,然后将处理好的数据通过 HTTP Response响应给页面,进行数据的展示。服务器与客户端的信息交互采用三层架构设计,即数据访问层(DAL),业务逻辑层(BLL)和用户界面表现层(USL)。
 
3 监测内容和传感器
        传感器是结构健康监测系统最前端、最基本设备,传感器的布设是健康监测系统设计的一个重要内容。桥梁结构健康监测系统的设计要兼顾经济性和适用性。传感器的布设位置与桥梁结构的力学性能密切相关,传感器的布设位置应能充分反映桥梁的力学特性,识别桥梁的损伤状况,准确评估桥梁的承载能力。传感器的布设需要根据桥梁设计方案建立桥梁的等效有限元模型,确定整个结构的刚度分布情况,最大应力点位置等。传感器的选型、布置等应考虑被测物理量的数据要求,应尽可能反映被测物理量的自身特性。选择技术先进、安全可靠、具有良好的耐久性、可维护性和可扩展性的传感器。
       根据健康监测的目的和业主的要求,考虑到环境因素和Maputo大桥的设计特点,健康监测系统设计用以监测以下四个类别的参数,其布设位置如图3、4所示:

图3 加劲梁传感器布置图(括号内数字表示传感器数量)(单位:cm)


图4 桥塔传感器布置图(括号内数值表示传感器数量)(单位:cm)

3.1环境和耐久性监测
(1)环境监测:在加劲梁跨中位置布设两套小型气象站,用于监测桥梁位置处的空气温度,相对湿度和降雨量;
(2)耐久性监测:在桥塔下部上下游混凝土内预埋阳极梯,监测混凝土动电电流,腐蚀电位,混凝土电阻率和温度,监测混凝土氯离子侵蚀深度,分析氯离子腐蚀速率,为结构耐久性评定、剩余寿命预测提供依据。
3.2 荷载源监测
       (1)风荷载监测:在加劲梁跨中位置以及桥塔塔顶布设三项超声风速仪,对桥址处的原始风速、风向等相关参数进行监测,进行原始风的风向、风速、风攻角的统计分析和功率谱密度分析;
       (2)汽车荷载监测:在桥头位置安装弯板式高速动态称重系统,在不中断交通的情况下监测车流量、车速、轴重、轴距等关键交通荷载信息。
3.3 结构响应监测
       (1)桥塔倾斜监测:沿桥塔高度等距离安装6套双向倾角仪,监测桥塔的倾斜情况;
       (2)加劲梁位移监测:在两侧梁端分别安装两套位移计,监测加劲梁纵向位移;在加劲梁上下游共安装6套GPS系统,用于监测加劲梁变形。GPS具有不受天气状况影响,可以全天候监测;监测响应速度快,可准确监测桥梁的动态位移;采用RTK技术的监测精度较高,动态灵敏度可达到水平±5mm,竖向±10mm,能够满足大跨径桥梁位移监测的精度要求;长期监测性能稳定;可同时监测桥梁三个方向的位移的优势,在特大跨径桥梁变形监测中得到广泛的应用;
       (3)应力监测:在加劲梁和桥塔关键截面安装光纤应变计,监测应力变化,控制截面最大应力,同时通过应力流分析,对钢箱梁的正交异性板的疲劳状况作出判断。光纤应变计具有不受环境影响,长期性能稳定的特点,根据光纤传感器数据采集特点,可以将同一截面的传感器十个一组串接,保持同组传感器中心波长间距大于4nm;
       (4)索力监测:选择部分锚索和吊杆安装索力计,进行索力监测,掌握和预警其所属吊杆区的索力分配情况,判定吊杆疲劳状况,为桥梁的状况评估提供数据。
3.4 结构动力特性监测
桥梁的动力特性参数(频率、振型和阻尼)是对桥梁结构进行损伤识别的基础,当前国际上对结构进行损伤识别的理论和方法都是基于结构动力模态参数的。动力特性的监测通过安装伺服式加速度传感器实现。特大桥构件多,自由度多,由于费用所限,安装的加速度传感器数量有限,因此所测的振型是不完全振型,用不完全振型建立的损伤识别指标也是不完全指标。因此加速度传感器要进行优化布点,最高效率地使用有限的传感器[6],从而用这些不完全指标有效地识别损伤。根据中国路桥工程有限责任公司联合清华大学的研究成果[8],在Maputo大桥健康监测系统设计中,采用多种群遗传算法[7][8]对加速度传感器进行优化布设,通过在特定的损伤情况下求解以损伤指标最大化为目标的布点方案,分析传感器布点与不完备损伤指标的关系,同时提供了对先验的损伤可能性较大的单元进行重点监测时的传感器布点优化方案。使用两个适应度函数对传感器进行优化:基于不完备模态柔度差损伤指标的适应度函数和基于不完备模态应变能指标的适应度函数[7][8]。根据优化结果在加劲梁共布设14支加速度传感器。
 
4 系统同步技术
为保证采样数据的有效性,必须要同一时刻采集安装于桥梁个关键部位的传感器输出信号,称为系统同步。通常时钟同步有两种,即频率同步和时间同步。频率同步只维持各点的频率相同,它们可以是任意相位。由于不管相位,时钟设备在跟踪时钟源的过程中,只要调整本地时钟信号与时钟源频率相同即可,这样会有跟踪的相位积累。另外,时钟信号在传递线路上,有传输损伤,如光纤的温度漂移等,这些传输损伤也会产生一些相位漂移积累。时间同步要求各点之间的绝对时间相同。维持时间同步与维持频率同步相比要困难得多,它要求在维持频率同步的同时,还要严格维持相位同步,不允许有相位积累。要消除时钟设备跟踪过程中带来的相位误差以及传输过程中引入的相位损伤,技术难度很高。
在Maputo大桥健康监测系统设计中,需要实现以下三个层次的同步:(1)数据采集仪每个采集板卡上各数据采集通道之间的同步;(2)数据采集仪各个采集板卡之间的同步;(3)不同数据采集仪之间的同步。设计使用PXI背板总线和GPS来实现系统之间的同步。
PXI背板总线同步只能用于同步同一个采集系统之间不同的同步采集卡,PXI拥有专用的10MHz系统参考时钟、PXI触发总线、星型触发总线、及槽对槽的本地总线,可用于高级定时、同步及频带通信。
MAPUTO大桥数据采集系统分散在桥梁的三个不同位置,各个采集机站之间均和GPS 同步时钟接收器PXI-6682 相连,GPS 接收器接受GPS 时钟同步信号,做相应的处理得到时钟同步信号和绝对时间戳并发送给PXI 采集设备,采集设备接收处理后的GPS 同步信号,实现采样时钟信号的脉冲同步以及相位同步和采样点时间标签的同步,GPS同步的时间精度可以达到200ns左右。
 
5 结构安全预警和评估技术
结构安全评估是桥梁结构安全监测系统的核心,Maputo桥梁结构安全评估的工作流程如图5所示。在建立桥梁健康监测系统的同时,也需要建立完善的人工检测制度作为有效补充。中国路桥工程有限责任公司联合清华大学对结构评估中的三个难点问题进行了研究,形成了一系列研究成果[7]。

图5 Maputo大桥结构安全评估流程
5.1 红线预警
红线预警是基于设计计算的理想模型,提出的设计控制指标(如结构刚度、应力应变、主缆及吊索索力等)对结构进行评估,其实质是对桥梁设计进行验证性评估的过程。红线预警是由系统实时在线完成;红线预警阀值的确定在成桥后,利用桥梁设计、施工、验收荷载试验的数据设定桥梁静力基准状态,利用桥梁“初始指纹”动力测试设定桥梁动力基准状态。预警红线设置是在设定桥梁基准状态的基础上,选取能反应结构安全的指标,按设计或规范限值设置预警红线。红线的设置需要对桥梁结构进行精细有限元建模,利用基准数据和测试数据,通过结构参数敏感性分析,区分系统测试误差,识别出真正的结构响应与基准数据之间的差值,按照桥梁设计或规范限值,对结构安全造成影响的响应差值进行及时预警。
5.2 模态识别技术
由于悬索桥固有的非线性和非经典阻尼性质,且在实际桥梁测试中,信号中不可避免的将混入噪声,桥梁测试界普遍采用的频域识别(FRF函数法)法精度太差。多种时域识别法有更高的精度和效率,如RD函数法、ERA法等,但这些方法对使用者有很高的理论要求。Maputo大桥结构健康监测系统模态识别采用自然激励下的改进的ERA法,采用小波阈值去噪方法对白噪声进行去噪,并用中值滤波去噪法对尖脉冲噪声去噪。采用修正的桥梁模态识别NExT方法,将只能够应用于白噪声激励下的标准的NExT法扩展到可以应用于移动平均模型,在此基础上,研究了非平稳激励下桥梁结构模态参数识别算法,避免遗漏模态和伪模态,并编制形成了实用软件。
5.3损伤识别技术
       桥梁的损伤识别是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分,健康监测中采用的损伤识别方法是基于结构的固有频率、模态、阻尼等动态参数的方法,这是在线进行桥梁结构整体损伤识别唯一可行的方法。项目研究提出了一套基于部分频率和模态片段的参数识别方法[7],综合使用部分频率和多个模态片段的方法来识别结构的损伤参数,增加了频率和模态对损伤的敏感性。针对损伤参数识别过程的不适定性问题,提出一个多层次的综合解决方案,包含以下几个步骤:(1)基于先验信息,发展了一种优化选择部分频率和多个模态片段的算法,以保证损伤参数识别过程的适定性;(2)基于优选的频率和模态片段,发展了一种基于最小二乘估计和高斯-牛顿迭代的损伤参数识别算法;(3)发展一种集成式算法,它通过反复进行前两个步骤的分析,来修正由于先验信息的不准确性所带来的误差;(4)在集成式损伤参数识别过程后增加误差更新环节来矫正对模态测量误差的估计,从而保证最终得到的优化选点结果对于参数识别过程总是较优的;(5)在以上结果的基础上,进一步用修正的扩展贝叶斯估计方法来改进损伤参数识别结果的精度。
6 结语
       桥梁健康监测系统涉及结构、计算机、传感器技术等多个领域,需要多学科的配合实施。本文讨论了莫桑比克Maputo大桥健康监测系统设计中的几个关键技术,系统的设计融合了当前最先进的传感器技术,以及国内在健康监测系统建设实践中积累的宝贵经验和最新的研究成果,是一个技术先进,经济适用的系统,同时系统进行开放式设计,便于今后的技术更新和升级。

参考文献
[1] 秦权桥梁结构的健康监测[J]. 中国公路学报,2000,2(13):37-42.
[2] Myroll F, Dibiagio E. Instrumentationfor montoring the Skarnsunder Cable-Stayed Bridge[C].Krokeborg J proceedings ofthe 3rd Symposium on Strait Crossing. Rotterdam:Balkema,1994.207-215.
[3] Andersen E Y. Structural monitoring ofthe Great Belt Bridge[C]. Krokeborg J proceedings of the 3rd Symposium onStrait Crossing. Rotterdam:Balkema,1994.54-62.
[4] 高赞明,孙宗光,倪一清.基于振动方法的汲水门大桥损伤检测研究[J].地震工程与工程,2001,4(21):117-124.
[5] 张启伟,袁万城,范立础.大型桥梁结构安全监测的研究现状与发展[J].同济大学学报,1997,25(增刊):76-81.
[6] Li Ge, Qin Quan and Dong Cong, Optimum sensorlocalization on bridges using genetic algorithms[C], 16th Congress of IABSE,Lucerne, Switzerland, Sep. 17-22, 2000: 294.
[7] 杜飞,向志海等. 公路桥梁结构健康监测关键技术研究. 研究报告[R]. 中国路桥工程有限责任公司,清华大学. 2012.2
[8] 贺瑞. 大跨桥结构监测系统的模态识别和误差分析及损伤识别[D]. 清华大学博士学位论文.2009


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