桥梁结构在线健康监测预警系统研究Ⅰ
——监测评估预警体系和模块设计
项贻强[1] 李毅1 周畅1
（1 浙江大学土木工程系，杭州，310058 ）
【摘要】针对不同桥梁的特点，在参照国家有关技术规程规范的要求和相关研究成果的基础上，研究提出了运营桥梁在线健康监测及状态评估的指标体系，讨论了传感器布置的原则及一般的应力、位移传感器布置方案，给出了系统设计的模块框图及顶层数据流程图。本文所提出的桥梁在线健康监测状态评估的指标体系、结构应力、位移传感器布置及系统的模块设计，对营运中的桥梁监测与养护管理具有重要的指导意义和实用价值。
【关键词】桥梁结构，健康监测,状态评估,指标体系,传感器布置 流程图
【关键词】桥梁结构，健康监测,状态评估,指标体系,传感器布置 流程图
Healthy Monitoring and Altering System on-Line of Bridge Structures Ⅰ
——Design of Monitoring Assessment and Altering System and Modules
Xiang Yiqiang1 , Li Yi1 Zhou Chang1
(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, 310058, Zhejiang
Abstract: Aiming at features of different type of bridges, this paper presented indexes system of healthy monitoring system and condition assessment on-line for R.C. & P. C. bridges in service according to current technical code and specification for relative bridge in China and study results. Sensors layout principle and general sensors layout project of stresses and displacements in health monitoring system for concrete bridge is discussed. The corresponding system design modules and top flow charts of data analysis are given. The presented indexes system of health monitoring system and condition assessment system, general sensors layout project of stresses and displacements and design of system modules have important guidance meaning and practical value for health monitoring and maintenance management of R.C. & P. C. bridges in service.
Key words: Bridge structures ; health monitoring; condition assessment; index system; sensors layout; flow chart
1.前言
桥梁健康监测的主要目的是通过先进的监测仪器、设备、数据传输等技术构成的整体系统，对桥梁结构的工作状态、使用性能及整体行为进行实时监测，并对桥梁的安全健康状况和潜在危险性及时做出评估，提供必要的关键数据。为桥梁在特殊气候、交通状况或桥梁运行中的严重异常状况触发预警信号，同时为桥梁的安全运营与维护管理提供科学的决策依据和指导。
目前的研究主要集中在对健康监测系统的组成和系统的评估理论上，而对不同桥梁状态评估的指标体系和模块设计的讨论较少,受研究水平的限制，我国目前还没有一部针对各种不同桥梁形式的健康监测和状态评估的指南或规范[1-7]。因此，有必要针对不同类型桥梁的特点，研究提出运营桥梁在线健康监测及状态评估的指标体系，给出传感器布置的原则、一般的应力、位移传感器布置方案以及系统设计的模块。
2.监测评估预警体系设计
依据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）、《公路桥梁养护规范》（2004）等技术规程规范的要求和相关研究成果，桥梁的状态评估指标可按桥梁的主要构件划分，对不同的混凝土桥梁则可分为下部结构、主梁、吊杆或拉索、附属设施以及动力特性等。每个主要构件又可划分为若干项子构件，每个子构件拥有各自的多项属性，具体如图1~图4所示。
桥梁是一个复杂系统，众多的因素若不加任何处理就来分析它们与桥梁使用功能间的关系，即使对于经验丰富的专家来说也有困难。这里采用了层次分析(AHP)和变权综合法的方法来评估桥梁状态，
它的基本思路如图5所示。具体可按以下步骤进行：
1) 
层次分析法确定各指标的权重；
层次分析法确定各指标的权重；2) 对底层指标评分；
3) 变权综合法确定中间层各指标评分；
4) 变权综合法确定最高层评分。
对于所有底层评价指标，按检测数据类型可划分 Fig. 5 AHP with Comprehensive Weight
为三种：①仅有对桥梁构件的状态描述或简单的等级划分，而没有数值结果（如混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度、桥梁部件缺省等）；②检测结果为一个数值（如混凝土强度、自振频率等）；③检测结果为一数据序列（如主梁应力、主梁挠度、吊杆索力等）。对于第一类指标，可以给出指标评语，按照评语分成5级打分；第二类指标可以采用正指标、负指标和适度指标三种模型进行归一转换；第三类指标用线性或非线性无量纲化处理，指标评估值=均匀变化得分×非均匀性变化系数，灰色关联度r(X0, Xi)可作为评估指标评语确定方法中的非均匀性变化系数。
1.传感器布置
3.1 传感器布置原则
（2）对结构构件进行重要性、危险性和易损性评级，将该评级结果作为传感器布置的参考指标；
（3）传感器的选型、布置等应尽可能体现优化原则，利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结构参数信息；
（4）对特殊、重要部位进行重点监测，以分析、计算、评估重要构件的工作状态，并预测其它构件的内力分布和变化；
（5）传感器的选择要注意长期观测的需要，确保系统的先进性、可靠性和稳定性；
（6）传感器数量和设备能力等应具有适度冗余，以确保系统的可靠性，并满足系统未来改进、扩系统升级采用模块化设计；
（7）系统应具有开放性，以确保系统良好的远程数据共享及监控功能。
主要监测的物理参数有应力、挠度、动力响应、温度等参数，其他的风、交通量、荷载等参数应根据实际的环境情况和系统要求进行监测。
对传感器技术要求为：①光纤应力传感器：测量±1000µε，分辨率1µε，测量精度±3µε。②光纤温度传感器：分辨率高于0.1℃，测量精度为±0.5℃。③加速度传感器：频率响应范围在0.2～500Hz，分辨率<0.001g，测量范围>100ms-2，灵敏度高于50mV/ms-2。④连通管位移传感器：位移分辨率为±0.2mm；测量精度0.5%FS～1%FS；量程±5cm。
3.2 应变传感器布置
为了解在交通荷载、风荷载、温度荷载及地震荷载作用下桥梁结构及混凝土构件的应变、应力情况，为评价结构工作状态提供依据，应对关键控制截面的应变进行监测，监测的位置不同形式桥梁的应力传感器布设位置如表1所示。
3.2 位移传感器布置
通过实时监测大桥的空间位移，确定大桥的变形状况、几何线形等，为研究索塔位移与环境变化的关系，评价大桥结构健康与安全状况提供资料。对关键控制截面的位移进行监测，不同形式桥梁的位移监测布设位置如表2所示。
关于，动力测试位置，应重点放在桥梁一阶模态和二阶模态响应的最大幅值点布设加速度传感器，能够获得结构的最大的动力响应。有条件时应考虑多几阶的模态响应。
4．系统的顶层模块设计及数据流程
系统的顶层模块设计见图6，主要包括在线监测及信息处理平台、信息管理系统模块、维护管理决策模块、突发事件监测处置模块、系统安全管理模块等6个模块，具体见图6-图10。
5．结语
桥梁的在线监测评估和预警涉及桥梁结构、现代分析测试技术、计算机通讯网络技术及数据库管理等多方面的学科。近年来随着在用桥梁劣化损伤现象日益严重，人民对公共产品的期望，桥梁的管理和评估及维修优化决策已经越来越受到重视，科学合理地进行桥梁结构的检测、评估己成为当前国际、国内工程界关注的热点。桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证与研究、防灾减灾三方面的意义。本文针对不同桥梁的特点，在参照国家有关技术规程规范的要求和浙江大学等近年来在桥梁健康监测与评估管理研究取得的相关成果基础上，研究提出了运营桥梁在线健康监测及状态评估的指标体系，讨论了传感器布置的原则及一般的应力、位移传感器布置方案，给出了系统设计的模块框图及顶层数据流程图，本文所提出的方法及成果已成功运用于杭州市文晖大桥混凝土斜拉桥及杭州市区交通干道桥梁隧道在线安全监控管理信息系统(二期)桥梁的健康监测评估管理系统中，取得了较好的效果，对营运中的桥梁监测诊断与养护管理具有重要的指导意义和实用价值。
[1] 项贻强: 1959年生，浙江杭州人，浙江大学 教授、博士生导师, 主要研究方向为大跨度桥梁的分析理论、健康监测与控制、损伤识别、评估管理系统。e-mail: Xiangyiq@zju.edu.cn
