大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统研究与设计

龙立敦，符锌砂

(华南理工大学土木与交通学院，广州 510640)

随着我国交通事业的快速发展，大跨度桥梁大量兴建，其安全性、耐久性和适用性是整个交通网络可靠运行的关键。实时有效地对桥梁在建造和使用过程中的结构工作状态、使用性能和结构损伤进行监测和科学、客观的评价，可使桥梁获得更好的使用性能和更长的使用寿命，世界各国都投入了大量资金进行研究，并建立了多种不同的监测、评价系统。但由于桥梁结构日益复杂，规模日益庞大，建造和运营过程中，在对由荷载、环境和材料退化影响而产生的各种损伤进行管理和养护时，传统的方法越来越不能满足要求。国内近年来发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故表明:构件疲劳加之监测养护措施跟不上，导致构件的承重能力和结构使用性能严重削弱，最终导致坍塌事故的发生。因此，根据各类桥梁的结构体系和受力特点，设定永久性观测点和观测网，有针对性地建立桥梁检测规范、规程，提出桥梁检测方法和桥梁检测频率，建立桥梁健康监控与预警系统，不仅能实现对桥梁结构状况及安全指数实时分析和预警，同时也可为桥梁管理者进行桥梁技术状况评价与预测、桥梁养护对策、确定合理桥梁养护资金需求、优化桥梁养护维修决策等提供科学依据和决策支持［1］。

1 系统的研究与应用现状

美国在20世纪80年代中后期，开始在多座桥梁上布设监测传感器，如佛罗里达州的Sunshine Skyway斜拉桥安装了500多个各类传感器，用来测量桥梁建设与运营期间的温度、应变及位移［2］。此后，通过在桥梁布设传感器对桥梁工作状态进行监控的做法在全世界范围内兴起，希腊的Halkis桥、丹麦的Faroe跨海斜拉桥、大带桥(GreatBeltBridge)、英国的Flintshire独塔斜拉桥、挪威的Skarmsundet斜拉桥、墨西哥的Tampico斜拉桥、日本的明石海峡大桥等也安装了不同规模的监测系统。国内目前已在南京长江二桥、郑州黄河大桥、贵州坝陵河大桥、深圳西部通道、香港青马大桥、汲水门大桥等众多大跨径桥梁上建立了不同规模的健康监测系统。

这些已建成系统具有以下一些共同特点:(1)通过测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录;(2)强调对结构环境条件的监测和记录分析;(3)力求获取的大桥结构信息连续而完整;(4)具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网络共享［3］。同时，这些系统也存在一些比较普遍的问题:(1)传感器选型与布设方法合理性有待商榷;(2)部分系统不能对获取的海量数据进行快速有效处理，造成数据灾难;(3)桥梁健康状况评价体系不完备，使得监测到的有效数据未能有效应用于桥梁状况评估之中;(4)系统的有机结合需要加强。健康系统由许多子系统组成，如何将这些子系统更有效地结合起来进行评估需要进一步研究［4］。

2 系统总体设计

2.1 系统设计目标

大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统，旨在针对不同高速公路段出现的特殊的地理环境和气候、交通条件，研究出一套适合大跨径混凝土斜拉桥的施工、运营监测方案，发现施工运营时的不安全因素，对桥梁结构状态进行监测与评估，当桥梁状况严重异常时进行预警，为桥梁施工、维护与管理决策提供依据和指导。系统涵盖了桥梁的施工到运营的各阶段，每个阶段的功能有所不同，却又相互联系。

施工阶段:(1)在设计完成后把设计资料和传感器布设方案信息录入到系统数据库，为施工过程仿真和施工过程控制提供基本数据支持;(2)施工阶段按设计阶段设计好的传感器布设方案完成全部传感器布设，减少建成后再布设传感器对桥梁结构造成的扰动，确保传感器的耐久性;(3)根据斜拉桥结构特殊性，重点对主梁线形、索塔变位、截面应力和斜拉索索力［5］进行全程监测，确保施工过程结构安全;同时系统对施工数据进行保存，作为下一阶段的基础数据。运行阶段:(1)自动的对使用中的大跨度斜拉桥进行结构、系统损伤积累和抗力衰减进行检测;(2)对桥梁的安全性进行评定、对可能出现的损伤状况进行智能预警和乃至提供修复方案，控制其损伤，保障结构的安全性、完整性、适用性和耐久性;(3)在系统使用过程中依据自身实践发展新的养护管理方法、监测技术及相应的评估理论和方法。

2.2 系统总体设计思路

大跨径混凝土斜拉桥施工运营监控系统致力于对现代高速公路普遍采用的大跨度混凝土斜拉桥从施工到运营全程的仿真与监测。系统的设计依据现行的公路桥涵施工技术规范和公路桥涵养护技术规范等相关技术规范和标准，参考国内外先进的系统建设方案，结合国内公路斜拉桥施工和监测实践，力求实现对斜拉桥从施工到运营的全寿命周期无缝监测，每一阶段的监测数据均能迅速转化为下一阶段分析模拟的基础信息，使分析评价、仿真结果更加可靠。

系统以安装在桥梁上的各类传感器所采集的数据为基础，结合目前先进的桥梁健康监测和安全评价理论建立:采用耐久性施工4D仿真模拟技术实现对桥梁施工和运营的3D动态图像化实时仿真，多传感器信息融合技术、数据挖掘技术和自动损伤识别技术实现对相关数据的挖掘、关联并通过其判断出桥梁的状态和为对可能的破坏修补方案决策提供支持。以上4个关键技术能够实现对桥梁的施工运营一体化实时监测，保障施工和运营过程中的安全、确保公路运行的畅通并对可能出现的破坏进行及时预警和提出处治方案，全面提高公路服务水平和提高管理部门的管理水平。

2.3 系统架构及工作流程

针对系统集成化、智能化、数据共享等要求，系统采用分布式系统架构对桥梁的检测数据进行采集，通过网络进行数据传输，将采集回来的桥梁健康状况数据信息用数据库统一存储到系统的数据管理中心，并为桥梁健康状况评价及预警子系统提供数据支持［6］。在此基础上实现对桥梁健康状况的实时监测、紧急状况信息发布和预警。提高桥梁监测的智能化，确保道路交通的安全、畅通。系统包括三方面的内容:桥梁施工过程检测、桥梁运营阶段健康监测、桥梁健康状况评价和预警。

(1)系统总体架构

大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统应用由桥梁检测信息集成系统和桥梁安全健康评价和预警3个部分组成。如图1所示。

图1 系统架构

(2)系统工作流程

系统重在实现对大跨径混凝土斜拉桥施工运营全过程的实时、动态可视化监测。工作过程可分为3个阶段:施工阶段，管理人员在向系统输入桥梁设计参数和施工场地参数后，系统智能生成施工进度计划。同时，根据在施工过程中布设的传感器所获得的数据，对桥梁施工进度和桥梁结构状态进行分析计算，对桥梁施工过程进行4D仿真，在分析计算结果的基础上合理调整施工计划，使各项指标满足规范要求，增进安全施工和实现科学管理。运营阶段，系统按照桥梁交付使用时的状态，建立结构健康监测模型，结合传感器系统传回的数据运用ANSYS软件对桥梁体系进行动力仿真分析，把桥梁各个关键工作点、工作面的工作状态通过视觉化形式显示出来。同时，根据桥梁现时状态和预测工作环境数据对桥梁进行损伤累计过程的模拟。损伤修复阶段，当系统出现突发状况或疲劳失效时，系统自动进行损伤程度计算，并根据损伤时桥梁状态预测损伤造成的后果并自动报警。同时，依据桥梁建设时设立的紧急状况预警与修复方案数据库，在人工干预的前提下生成应急预案。系统设计强调监测预警工作自动化，能自动调用数据库中数据进行计算分析和模拟仿真，只有在一些特殊情况下需进行人工干预。系统的工作流程见图2。

3 系统组成

大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监测系统是针对目前公路工程中广泛使用的混凝土斜拉桥结构体系施工和运营过程中结构在环境和荷载条件下结构的响应状态做出实时监测的系统，系统的使用将有助于桥梁的施工管理和运营管理更加自动化、信息化和智能化［7］。一体化监测系统由2个紧密关联的系统构成，即施工过程控制和施工阶段监控系统、桥梁运营阶段健康监测系统。

3.1 施工过程控制和施工阶段监控系统

图2 系统工作流程

该子系统服务于斜拉桥的施工阶段，包括分类录入桥梁设计参数，为施工过程仿真和施工控制提供基础数据支持;在桥梁开始施工后，根据规范要求和斜拉桥的特性，制定出针对斜拉桥的施工监测方案和全部传感器的布设安排，使系统能够获取从施工期的连续监测数据，包括:主梁线形、索塔变位、截面应力和斜拉索索力等关键数据。最后根据传感器获得的数据对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算，及时调整和预警不合理之处。

依据该子系统的组成，系统主要分为以下6大子系统:

(1)斜拉桥设计数据及结构验算数据录入子系统。把桥梁的设计参数分类录入到数据库系统，以便进行结构验算、施工阶段数据查询、施工误差验算及预警数据查询对比;

(2)斜拉桥施工仿真计算子系统。根据斜拉桥施工控制特点及要求，按照施工和设计所确定的施工工序以及设计时提供的基本参数，对施工过程的结构受力和变形等进行施工控制和计算验证;

(3)参数自动采集子系统。对桥梁施工过程中的应力、索力、线形等数据进行监测，并实时反馈到控制系统;

(4)神经网络控制子系统。对桥梁施工控制中存在的误差来源多样性和控制目标多样性的特点，采用神经网络控制理论［8］进行施工控制;

(5)施工模拟4D仿真子系统。在对传统混凝土斜拉桥施工工序3D模拟的基础上，附加时间因素，将模拟过程以动态的3D方式图像化［9］表现出来，对计划进度与实际进度进行对比。

(6)施工误差验算及预警子系统。对施工过程采集反馈的数据进行验算，对于超过最大误差的进行报警。

3.2 桥梁运营阶段健康监测系统

桥梁健康监测子系统主要是针对成桥运营后的桥梁结构状况问题进行监测，系统的构架有以下几个模块。

(1)传感器子系统 该系统是桥梁健康监测系统最底层的硬件系统，根据不同的桥梁监测内容和监测等级，选择相应的传感器类型和传感器数量并进行最优化的传感器位置布置。根据规范标准要求和大跨径斜拉桥特点，监测的内容主要有:风荷载监测、空气湿度监测、截面温度场监测、地震监测、动态交通荷载监测、雨量监测、腐蚀监测、结构应变监测、大桥空间几何变位监测及冲刷监测等。

(2)数据采集与传输子系统 数据采集系统由数据采集单元、数据采集网络和相关的软件组成［10］。该系统需要采集的数据包括:光纤光栅信号、电流电压信号、智能数字信号、脉冲信号和GPS信号等［11］。数据传输系统则将采集到的数据信号传送给系统服务器，目前可采用的传输方式包括远程传输和本地现场有线传输2种方式。

(3)数据处理和控制子系统 该系统一般设在大桥管理监测中心内，主要功能为:在建立斜拉桥健康监测基准模型对桥梁的整体静、动力特性及结构各构件进行细致模拟基础上，自动运用ANSYS软件强大的后处理功能对监测数据、桥梁设计参数和施工记录数据进行调用分析和对系统进行模拟，进行疲劳损伤积累过程和其他失效过程的仿真分析［12］。另外，当遇到特殊情况时该系统还能在人工干预下对桥上远程数据采集站进行控制，对数据库中的数据进行增删或修改等操作。

(4)桥梁结构状态评估及预警子系统 斜拉桥监测系统的核心目标和最终目标是对桥梁损伤进行识别，建立桥梁损伤的计算分析模型，进一步对桥梁的健康和安全状态进行评定和预测，并即时预警。该子系统主要包含以下几个方面内容。

①结构状态评估内容的确定和评估预警指标体系建立。根据斜拉桥的特点，确定对其健康运营影响最大的因素，并分析各个影响因素可能导致的破坏形式和后果;然后根据相应的影响因素建立评估预警体系，如确立各个指标的阈值等。

②桥梁结构健康监测评估基准模型。利用ANSYS软件分析计算的结果和耐久性监测结果，通过耐久性分析方法和结构安全可靠度评价计算的可靠度指标，评价结构安全性和耐久性。结合桥梁模型，把桥梁体系每个构件的可靠度和安全系数实时的用动态可视化的方式展示到监测人员眼中。

③桥梁损伤识别模型。当安全性评价的可靠度超出阈值或者出现突发状况时，及时发现桥梁损伤，对损伤进行分析计算。进而触发启动应急预案模块并传递损伤计算结果，并且依据桥梁的实时状态和环境因子分析模拟损伤破坏的发展轨迹，生成相关参数。

④应急预案模块。桥梁建成运营时，根据桥梁施工和设计参数、环境影响因子，对桥梁在使用年限内可能出现的破坏类型做出合理预测，针对可能的突发状况或累积损伤状况建立相应的应急处理办法，包括报警方式和修复方案等;在被上一模块触发后，可自动或在人工干预情况自动报警，智能的生成应急预案和桥梁结构修复方案，并计算财产损失并生成相关报表。

(5)数据管理子系统。数据管理子系统是整个系统的“仓库”，存储和管理桥梁及其健康监测系统所有的硬件和软件以及监测和分析结果全过程的信息，包括桥梁地理位置子库、桥梁设计CAD图纸子库、桥梁施工监控子库、成桥试验子库、健康监测系统硬件和软件信息子库、桥梁结构监测数据子库和桥梁结构分析结果子库等，系统计算模块可根据需要自动调用相关数据进行计算。可根据系统存储和数据管理的不同要求，选择SQL Server作为数据库管理系统，实现对桥梁几何数据、监测时间序列数据、图像监测信息和文本信息的统一存储。

4 结语

本文针对传统的桥梁监测和监控系统的特点和存在的问题，结合大跨径混凝土斜拉桥广泛应用的现状，提出了对桥梁全寿命周期进行监控的大跨径混凝土斜拉桥施工运营一体化监控系统的总体设计思路和系统架构，完成了系统的总体设计和功能设计。充分利用了计算机的快速计算功能和ANSYS软件的结构分析功能，使桥梁管理者能够直观的以视觉化动态化的形式监控桥梁结构运行状态。对桥梁的全寿命周期进行监控，保证监控的连续性、准确性和有效性。系统的开发将有效减轻桥梁管理者的工作强度和提高桥梁监控的质量和效率。

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