大跨径混凝土桥梁健康监测管理研究

2022-09-21 16:29:41 来源:写作指导

摘要:为实现大跨径混凝土桥梁健康状态的智慧化监测,以某实际案例为对象,对其斜拉索应力、桥塔位移、梁部挠度、开裂热区的裂缝发展情况等实施监控,并搭建云管理平台,综合运用通讯信息、有限元分析和BIM技术,探索实施桥梁健康状态的智慧化管理,为准确、及时的养护维修提供依据和支撑。

关键词:斜拉桥,云平台,智能监测,BIM技术

0引言

桥梁作为承载交通的重要构筑物,使用期长达几十年、甚至上百年。环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应等因素的耦合作用都会导致结构的损伤,功能退化或失效,甚至引起结构破坏的严重事故。需要对桥梁进行健康监测,对危险状况及时预警,进而及时组织养护维修,保障桥梁服役期间结构的安全性。传统上,桥梁健康状态的掌握依赖巡检和专项荷载试验,相应的,桥梁维修通常是根据监测结果和服役年限,按照排定的计划开展[1]。存在时效性差、预见性不强、影响正常交通、持续投入费用大等系列问题。近年来,对于特殊的重要桥梁,挠度和位移等参数逐步纳入了在线的监控范围[2]。但是,整体看,桥梁健康监控的数据信息尚显碎片化,直观程度不够,各类监控数据尚缺少联动和相互验证,无法形成对桥梁健康状态的整体判断,也无法直接用于指导桥梁的管养作业。在数字化、智慧化时代,可以探索通过各种传感、通讯、信息技术,运用云平台、大数据、物联网、区块链等工具,搭建智能监控平台,对桥梁服役状态的关键数据信息进行采集、感知、判断,实现对结构状态的实时计算、判断、预警和应急处置等。本文以一座300m跨铁路混凝土斜拉桥为工程案例,探索桥梁健康监测智慧化管理的实现途径。

1工程基本情况

该桥梁位于江海交汇处,夏季盛行海风,湿大雨多,气温较高,年平均气温18.3℃,极端最高气温42.1℃,极端最低气温-4.8℃,属台风重影响区,设计风速达到33.8m/s。桥梁结构采用双塔双索面混凝土斜拉桥,荷载等级为单线ZKH活载,桥跨布置为(51+91+300+91+51)m,半漂浮体系。主梁采用预应力混凝土箱梁,主梁截面全宽13m,桥塔采用钻石型索塔,桥面以上索塔采用倒Y形,桥面以下塔柱内缩为钻石形。塔底以上索塔全高为118m,梁顶以上塔高75m,梁顶塔高与主跨比为1/4.0(结构布置如图1所示)。

2关键监测参数的选定

混凝土斜拉桥结构形式复杂、工后徐变大,为确保其健康运营与管养,巡检内容应需包括斜拉索、阻尼器、支座、伸缩缝等部件的工作状态外,而监测内容除桥梁所处环境参数,如风速、风向、温度场、列车通行量等外,需要重点关注的结构参数包括以下几种。

2.1斜拉索索力。对于斜拉桥索力的监测,光纤光栅传感是比较先进的技术,具有信号传输距离远、长期工作稳定性好、抗电磁干扰、不怕潮湿等优点,可以在室外各种气候条件下长期可靠工作,特别适合于桥梁索力的长期监测[2]。本项目采用中空式光纤光栅压力环(锚索计)在施工过程中预安装于斜拉索锚端。光纤光栅压力环的结构如图2所示。其主体结构是一个环状弹性体,在弹性体表面沿环向布设了若干个贴片式FBG(FiberGratingSensor)应力传感器,各传感器间隔均等,传感器的布设方向与环向弹性体的轴向保持一致;温度传感器与应力传感器同步布设,确保处在同一温度场下,一端固定,一端自由,保证其不受应力影响。应力和温度传感器通过光纤串联后接到引线端子上,整个结构用防水胶密封。在使用中,将压力环穿过斜拉索安装在锚垫板和锚板之间,当压力环受压后发生弹性变形,FBG应力传感器产生相应的变形,FBG的中心波长发生漂移,在经过温度传感器补偿后,FBG中心波长的漂移量可以反映出作用在压力环上的压力大小,即压力和漂移量呈现线性比例关系,测出FBG中心波长的漂移量,根据实际标定的线性比例关系,就能够测算出测力环的受力,即斜拉索的索力。

2.2位移及变形。人工监测桥梁位移及变形的方式存在耗时耗力、实时性差等缺点。基于GPS/BDS的监测系统可以实时获得桥梁的变形自动化监测,可有效提取桥面相对于基准点的三维位移。当桥梁有列车通过时,铁路重载作用将导致桥梁挠度显著增加,因此,将监测系统获得的时域信号通过傅立叶变换获得频域信号后,可分析获取恒载作用下以及恒活载作用下桥梁的变形数据。为提高测量精度,开展基于卫星观测值的多路径信号研究,利用多路径信号的特性,分析观测值的精度,剔除受多路径效应影响严重的观测卫星,同时剔除低仰角卫星的观测值。利用小波去噪技术去除候选卫星的高频随机噪声和多路径信号,提高GPS/BDS组合变形监测系统的精度。具体的监控点布设如图3所示。

2.3裂缝发展。混凝土表面的裂缝发展情况可以采用激光扫描法[3]和漏磁效应法[4]进行监控。本项目采用漏磁效应法,在计算所得的易开裂位置布设磁信号传感器,通过自动化磁信号分析判断混凝土是否开裂,通过移动扫描裂缝装置,获取并分析磁信号的分布特征,定位混凝土裂缝位置并计算描述出裂缝数量及形态。漏磁效应法的基本原理是通过移动扫描模型梁表面附近的磁信号分布,分析切向和法向磁场分量分布、梯度、李萨如(切向—法向磁场)图、Lipschitz指数等和裂缝宽度的对应关系,基于裂缝漏磁效应建立裂缝宽度的磁信号表征方法。

3智慧监控的实现路径

智慧化监控就是将桥梁的斜拉桥索力、关键部位的位移及变形以及裂缝发展情况的监测结果采集并传输至云管理平台,结合风速、温度等环境监测数据,在云后台利用有限元软件、BIM技术以及系统识别方法,形成桥梁健康状态的实时判断结果,为桥梁的使用单位、养护单位和监管单位等终端用户提供管养建议。

3.1工作机理。根据索力检测数据和疲劳损伤累积理论,计算得到斜拉索的疲劳寿命可靠度;根据混凝土徐变的发展规律和材料相关的试验结果,利用有限元软件计算桥梁线型的时程变化规律(有限元计算模型如图4所示),并将桥梁关键点位移及变形的实测结果与计算结果进行比对,判断桥梁所处的结构形态;通过有限元软件定位在各个工况条件下桥梁结构的易开裂位置,通过扫描装置实际检测裂缝发展情况。

3.2云平台的搭建。“云”概念是基于“云计算”技术,实现各种终端设备之间的互联互通。用户享受的所有资源、所有应用程序全部都由一个存储和运算能力超强的云端后台来提供。桥梁监测云平台就是将各种检测终端设备与具备强大计算能力的云端后台处理器连接,同时为桥梁的使用单位、养护单位和监管单位提供服务。云平台构架分为数据采集层、算法层和应用层[5]。数据采集层为实现各方监测设备数据(环境数据,如风速、温度等;结构数据,如拉索应力、跨中挠度等)的汇总,将实时数据快速存储,并上传至云端服务器。数据算法层为实现数据的清洗、转化、分类和存储操作,提升数据合理性,并对采集的实时监测数据进行分析、挖掘、比对,做出对监测数据的实时评价。数据应用层为实现综合评估与决策支持,通过模式识别、系统识别以及神经网络等方法,对桥梁的整体情况进行评定[7],并根据评定结果及时做出预警和处理建议。

3.3BIM技术的应用。BIM技术借助于计算机技术、大数据技术,构建三维立体模型,具有直观和清晰的显著特点,它既是模型构造方式的革新,又是一种管理理念的升级[8,9]。BIM技术在桥梁健康监控的智慧化管理中具备广阔的应用前景,本项目通过BIM软件的二次开发,实现云平台中数据的实时调用并导入到chart控件中,使得数据结果可以在三维模型里形象展示和精确定位,大幅度减少了判断误差和遗漏,提升了管养工作的效率。

4结语

随着信息化和科技化的迅猛发展,对桥梁服役期状态的健康监测和智慧化管理,已日益成为一个研究应用热点。运用各种先进的传感技术、信息技术、网络技术、计算机技术,实时监测桥梁状态,评估和预测桥梁的安全性、适用性和耐久性,可以实现养护、维修和加固的智慧化管理,能够提前预防重大事故的发生,减少养护维修费用,有效控制项目全寿命周期成本。

作者:林璋璋 张奕 单位:浙江省交通规划设计研究院有限公司 浙江省交通投资集团有限公司