大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)發(fā)展
2015-07-02
簡(jiǎn)介
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展技術(shù)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和評(píng)估現(xiàn)有的或新建橋梁已經(jīng)達(dá)到某種程度的成熟。在結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在歐洲上實(shí)現(xiàn)橋梁,美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó),中國(guó)和其他國(guó)家都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常設(shè)想到:(i)驗(yàn)證假設(shè)和參數(shù)設(shè)計(jì)的潛在好處,改進(jìn)設(shè)計(jì)規(guī)范和指導(dǎo)未來(lái)的類似結(jié)構(gòu)；(ii)檢測(cè)異常在加載和響應(yīng),以及可能的損傷/惡化處于初期階段,確保結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全； (iii)提供實(shí)時(shí)信息后立即進(jìn)行安全評(píng)價(jià)災(zāi)害和極端事件；（iv）提供證據(jù)和指導(dǎo)規(guī)劃和優(yōu)先橋檢查、康復(fù)、維護(hù)和修理；(v)監(jiān)測(cè)維修和重建與視圖的評(píng)估的有效性,改造和維修保養(yǎng)工作；(vi)獲得大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)葉片在橋梁工程的研究,如風(fēng)力和抗震設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)類型和智能材料的應(yīng)用程序。
開(kāi)發(fā)和實(shí)施一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完全實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)和利益，但目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),需要協(xié)調(diào)跨學(xué)科研究完全適應(yīng)創(chuàng)新性技術(shù)在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的其他學(xué)科的土木工程的社區(qū)。實(shí)際上,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主題主要國(guó)際研究近年來(lái)。在這個(gè)主題的研究涵蓋了傳感、通信、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)識(shí)別、信息技術(shù)等。它需要機(jī)械,電氣以及民用計(jì)算機(jī)工程等之間的協(xié)作。當(dāng)前的挑戰(zhàn)橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)被確認(rèn)為分布式和嵌入式傳感、數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷方法、和演示的有用和可靠的信息橋梁所有者/經(jīng)理為決策在維護(hù)和管理。在本文中,在之后的現(xiàn)狀的概述大型橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)踐中,作者探索一些關(guān)鍵問(wèn)題有關(guān)上述挑戰(zhàn),對(duì)于研究者和實(shí)踐者們,通過(guò)引用幾個(gè)健康監(jiān)測(cè)工程范例。
2、實(shí)踐狀態(tài)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
成功的實(shí)現(xiàn)和操作的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁被廣泛報(bào)道。到目前為止大約40大跨度橋梁(跨度100米或更長(zhǎng)時(shí)間),世界與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)。典型的例子是偉大的皮帶橋在區(qū)別,在加拿大的聯(lián)邦大橋,在香港的青馬大橋,在美國(guó)海軍準(zhǔn)將巴里橋,明石海峽大橋在日本,在韓國(guó)首爾橋。20個(gè)大型橋梁在中國(guó)(包括香港特別行政區(qū))檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。這個(gè)清單不包括東海大橋(包括兩個(gè)主要的跨度斜拉橋分別為420米和332米),杭州灣大橋(包括兩個(gè)主要的跨度斜拉橋分別為448米和318米)和第三南京長(zhǎng)江大橋(一個(gè)雙塔斜拉橋主跨度648米)的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)性的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前正在設(shè)計(jì)。
最近的一些實(shí)踐趨勢(shì)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為大規(guī)模橋是值得一提的。(i) (我)對(duì)一些最近的橋梁如深圳西走廊,昂船洲大橋,上海崇明穿越(一個(gè)雙塔斜拉橋主跨度1200米)和墨西拿海峽大橋(一個(gè)懸索橋主跨度3300米),一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求在招標(biāo)作為橋梁設(shè)計(jì)的。集成橋梁設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保設(shè)計(jì)工程師的重要問(wèn)題是反映在監(jiān)控系統(tǒng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)民事規(guī)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被認(rèn)為是在橋的設(shè)計(jì)。(ii)實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在新的橋梁如第四錢江橋,深圳西部通道,昂船洲大橋和蘇通大橋是完成與橋施工進(jìn)度同步。這樣一些特定類型的傳感器,例如,腐蝕傳感器,應(yīng)變儀和光纖傳感器可以嵌入到結(jié)構(gòu)在某橋安裝階段。(iii)最近設(shè)計(jì)了長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)多用監(jiān)測(cè)橋梁的完整性,耐用性和可靠性。在香港,一個(gè)改進(jìn)從青馬大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括更多的昂船洲大橋環(huán)境測(cè)量傳感器如腐蝕傳感器、氣壓計(jì),濕度計(jì)和雨量計(jì)促進(jìn)橋梁安全/可靠性評(píng)估。另一個(gè)例子是蘇通大橋的監(jiān)控系統(tǒng),將把大部分的嵌入式傳感器目前屬于基礎(chǔ)穩(wěn)定和安全監(jiān)控系統(tǒng)，專為施工監(jiān)測(cè)只有)增強(qiáng)了上層建筑長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋耐久性評(píng)估。
3、傳感和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
在過(guò)去的十年里取得了重大進(jìn)展傳感技術(shù)和各種創(chuàng)新的傳感系統(tǒng),如光纖傳感器和無(wú)線傳感器現(xiàn)在正成為商用。一個(gè)傳感系統(tǒng)是至關(guān)重要的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的橋梁。想象的未來(lái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)使用一個(gè)數(shù)組的廉價(jià)、空間分布、無(wú)線供電,無(wú)線網(wǎng)絡(luò),嵌入式傳感設(shè)備支持頻繁和按需收購(gòu)實(shí)時(shí)信息和環(huán)境影響的加載,結(jié)構(gòu)特性和響應(yīng)。光纖傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于長(zhǎng)期的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè),而應(yīng)用程序的無(wú)線傳感器橋梁監(jiān)測(cè)仍在技術(shù)演示階段。
值得一提的是,一些傳統(tǒng)的傳感器變得不可行,當(dāng)應(yīng)用到大型橋梁行不通的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。例如,它是一個(gè)困難的任務(wù)來(lái)測(cè)量偏差(絕對(duì)位移)的大跨度橋梁。傳統(tǒng)的位移傳感器只能用于相對(duì)位移測(cè)量,而激光傳感器和總電臺(tái)已被證明是不適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的大跨度橋梁。當(dāng)前解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)。然而,應(yīng)用程序的一個(gè)GPS橋梁監(jiān)測(cè)有兩個(gè)限制: (i) (我)測(cè)量精度的一個(gè)GPS不夠好完全滿足橋梁健康監(jiān)測(cè)的要求； (ii)一個(gè)GPS并不適合監(jiān)測(cè)位移棧橋的橋下面甲板(所造成的船舶碰撞、結(jié)算等)。應(yīng)變測(cè)量是另一個(gè)問(wèn)題是至關(guān)重要的橋梁健康評(píng)估。有兩種常用的應(yīng)變傳感器:電阻應(yīng)變計(jì)和振動(dòng)線應(yīng)變儀。他們的缺陷:電阻應(yīng)變儀能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變但擁有低穩(wěn)定性導(dǎo)致漂移測(cè)量隨著時(shí)間的推移,振動(dòng)線應(yīng)變儀具有較高的零穩(wěn)定但只能用于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。這些缺陷的傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)有調(diào)用應(yīng)用程序增加創(chuàng)新的光纖傳感器長(zhǎng)期檢測(cè)大型橋梁。說(shuō)明了這樣一個(gè)應(yīng)用程序,其中光纖傳感器部署在甲板長(zhǎng)度的懸浮橋?qū)τ趹?yīng)變和江陰市溫度測(cè)量。最具吸引力的身體特征的光纖傳感器是他們能力的分布式傳感與測(cè)量這將導(dǎo)致精心制作的狀態(tài)監(jiān)測(cè)大規(guī)模橋梁。另一個(gè)有前景的應(yīng)用光纖傳感器對(duì)電纜支持橋梁是埋置傳感器在大橋電纜對(duì)于溫度和應(yīng)變測(cè)量。
一個(gè)跨學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)在香港理工大學(xué)設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)光纖傳感系統(tǒng)蘇通大橋斜拉橋。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,七出電線電纜截面組合取代了不銹鋼鋼管為部署光纖傳感器。視神經(jīng)纖維在術(shù)語(yǔ)的布里淵散射傳感器鋪設(shè)的應(yīng)變自由在每個(gè)鋼管為分布式溫度測(cè)量沿著電纜長(zhǎng)度。這項(xiàng)技術(shù)的布里淵光時(shí)域反射計(jì)(b時(shí)域反射儀(otdr)使用,由激光脈沖發(fā)射到光纖,作為傳感元件和溫度的測(cè)量是通過(guò)結(jié)合散射信息與傳播時(shí)間的激光脈沖在光纖。它指出,7鍍鋅線已添加的最外層的電纜截面保持總面積的電線不變的。與此同時(shí),光纖布拉格光柵(FBG)傳感器嵌入到這些電纜兩端有應(yīng)變測(cè)量。
應(yīng)變的電纜附近的錨地衡量,是環(huán)氧膠和光纖光柵陣列上的外表面管材。光纖光柵陣列的光纖光柵應(yīng)變傳感器包括三個(gè)間隔2米。FBGs很敏感的兩個(gè)應(yīng)變和溫度。FBGs的溫度得到b時(shí)域反射儀(otdr)系統(tǒng),因此應(yīng)變應(yīng)用到FBGs可以確定。因?yàn)楣饫w光柵陣列安裝沿鋼管用于容納b時(shí)域反射儀(otdr)溫度測(cè)量方法,額外的鋼管和線面積縮小是避開(kāi)的。
在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的蘇通長(zhǎng)江大橋,一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于PXI / SCXI和MXI-3技術(shù)已經(jīng)被設(shè)計(jì)來(lái)克服傳輸電纜長(zhǎng)度限制,同時(shí)最小化DAUs的數(shù)量。該系統(tǒng)由七DAUs連接一個(gè)FDDI雙重環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)中央的房間。每道是組成一個(gè)火車站(MS)和可選的分站(SSs)。主要的電臺(tái)由一個(gè)PXI儀器平臺(tái),一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊,而電力分站(SS)沒(méi)有PXI儀器平臺(tái)。每個(gè)變電站連接到它的主要站MXI-3界面工具包,遠(yuǎn)程控制的火車站。PXI儀器的平臺(tái)和一個(gè)PXI控制器負(fù)責(zé)運(yùn)作的道、與中央的房間信號(hào)預(yù)處理和溝通。在蘇通長(zhǎng)江大橋,兩個(gè)分站(ss2 1和SS6-1),分別連接到火車站和MS6一,放在了兩個(gè)塔(一個(gè)在每個(gè)塔)基地附近的收集數(shù)據(jù)從傳感器放置低于塔基礎(chǔ)水平,包括那些目前屬于地基穩(wěn)定和安全監(jiān)控系統(tǒng)(1400多個(gè)傳感器也參與這個(gè)系統(tǒng))。利用MXI-3技術(shù)、傳輸電纜長(zhǎng)度限制可以被釋放,沒(méi)有雇傭額外的DAUs。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,每個(gè)道是能夠支持最多八個(gè)子借助MXI-3擴(kuò)展槽。
