胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统研究与设计

◎ 山东高速青岛发展有限公司 周毅

1 引言

胶州湾大桥是青岛市道路交通网络布局中胶州湾东西岸跨海通道的重要组成部分，也是山东省“五纵四横一环”公路网主框架的重要组成部分。胶州湾大桥包括沧口航道桥、红岛航道桥和大沽河航道桥、海上非通航孔桥和青岛、黄岛及红岛接线工程。沧口航道桥采用双塔钢箱梁斜拉桥方案，红岛航道桥采用钢箱梁独塔斜拉桥方案，大沽河航道桥采用独塔自锚式悬索桥方案。

胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统（以下简称“结构监测巡检养护管理系统”）通过测量反映胶州湾大桥环境激励和结构响应状态的信息，实时监测、定期检测桥梁结构的工作性能，定时、定量地评价桥梁结构的健康状态，以保证胶州湾大桥的安全运营，为胶州湾大桥的养护、维修提供科学依据。

结构监测巡检养护管理系统中结构监测的范围包括：沧口航道桥、红岛航道桥以及大沽河航道桥及其代表性的引桥（现浇段及预制拼装段）各一联；电子化人工巡检养护管理范围包括①胶州湾大桥主桥工程K8+190至K34+947.319段；②红岛连接线（HK0+000至HK1+310）段内所有可到达的桥梁结构物。

1.1 系统设计原则

胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使结构监测巡检养护管理系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足胶州湾大桥养护管理的需要，同时又具经济效益的结构监测巡检养护管理系统，遵循如下设计原则：

大沽河航道桥索力监测布点图

大沽河航道桥螺栓预紧力实时监测示意图

1）统一设计、统一采购、统一实施、统一维护、统一管理。

2）遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想。

3）系统设置首先需满足胶州湾大桥养护管理的需要，立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素。

4）根据结构危险性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。

5）危险性分析原则考虑以下方面：

①不同类型的结构受力特点、构件的工作特征。

②设计时不同类型结构的控制断面、控制点。

③结构不同类型材料的材料特性、使用特性。

④结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位。

⑤基于既有同类型结构已发生的损伤部位。

⑥目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。

6）监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。

7）运用人工巡检手段，加强对不易自动监测及自动监测性价比低的易损部位的定期检测，以丰富用于结构状态评估的数据。

8）从动力、静力、耐久性对结构进行监测，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作。

9）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。

10）系统应具有稳定性、可扩展性。

1.2 系统总体思路

胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统的本质是结构养护管理系统，养护决策所需的数据通过传感器的自动采集监测和人工定期巡检两种手段获取，并通过统一的集成的数据处理模块，进行有针对性的结构健康指标及结构特性的分析。得到结构状态在线评估的相关结论，得到结构健康指标及突发事件的及时预警信息，为结构养护决策提供支持，为进一步的专家级的离线评估提供支持。

系统的建设目标是建立一套符合当前技术发展水平的具有可持续发展能力的结构监测巡检养护管理系统。结构监测巡检养护管理系统需要一个结构状态评估模型作为核心支持引擎，该模型是系统可用性的基础和保证，但是本类系统是对实桥运营状态的监测评估系统，而且传感器量测的结果大多是相对量，这就意味着任何设计理论、实验室、同类桥型的经验在对胶州湾大桥应用时均有可能产生偏差，从而不能准确评估结构状态及指导养护。为此我们需采取以下措施应对。

1)数据挖掘

针对以上情况，有必要对实桥在运营期的行为进行分析，而这类分析的实质是数据挖掘，分析数据本身及数据间的规律，使用的主要方法是相关性分析。基于此目的，初始阶段的监测布点不宜太少，且需要大量收集建设期的施工监控数据和荷载试验数据，尤其是荷载试验数据需作为本系统初次标定的依据。

2)模型进化

在系统中，结构状态评估模型应是不断进化的模型，在系统初始化过程中，可使用规范及设计值作为模型参数取值的依据，但由于规范值或设计值本身的含义和实测值的含义会有较大的差别，有必要通过不断的模型进化来弥补这个差距。模型进化应该是个长期持续的过程，以适应结构本身的变化。

3)分层评估体系

受损伤识别技术和评估技术发展的限制，自动损伤识别及评估是本系统的远期目标，当前需要设置分层评估体系，结合人工和自动评估两种模式。具体来说，采用类似医院看病的模式，系统本身作为一台检测设备，定期对结构各类监测、检测数据进行分析，并对预设的多项结构健康指标进行自动评分，还可按照预设的总体评估模式给出结构状态的初步分析结果，但这个结果仅作为专家进行进一步离线评估的依据，结构安全性、耐久性的最终评估结果由专家通过定期或不定期的离线评估方式给出。

本着以上的基本思想，结构监测巡检养护管理系统的总体设计、实施及运营的总体流程为：总体方案设计→方案验证→施工图设计→采购→安装调试→试运行→验收→运营→优化。总体设计流程为：结构危险性分析→监测区段、监测内容、监测布点、监测数据要求设计→传感器模块设计→数据采集传输模块设计→数据处理与控制模块设计→巡检养护系统设计→预警评估系统设计→软件设计→系统初始化设计（含评估模型及具体参数）。方案验证可采用小型实验室系统，但作为实际应用系统，应尽量选用业界成熟的产品和成熟的系统架构，以减少设备本身及设备间兼容性的问题。本公司设计实施的多个系统均使用稳定可靠、可扩展的系统架构，本项目的方案验证直接使用接入在用的东海大桥结构健康监测系统验证的模式，相比使用小型实验室系统具有更可靠的验证说服力。施工图设计的重点在于可施工性的验证。

2 系统总体方案

2.1 系统功能总框架

胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统总体可划分为三个功能子系统：

1）自动化数据采集系统：通过传感器、数据采集和数据处理设备采集结构响应及环境特征数据。可进一步分为传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与控制模块三部分。

2）巡检养护系统：基于电子化的养护管理手册，结合评估模块的养护指导意见，进行日常的结构巡检及养护的管理，并对各类档案及费用进行有效的管理。

结构监测巡检养护管理系统总体功能框架

3）预警评估系统：标准化传感器监测及人工巡检的各类数据，进行统一的数据处理、损伤识别、结构状态评估及预警。

2.2 系统应用模式

胶州湾大桥运营期结构监测巡检养护管理系统为B/S模式，系统用户可在授权允许的情况下，通过局域网或Internet访问本系统，客户端不需安装任何软件，使用IE即可访问。

系统主要的应用对象是日常使用人员、系统维护人员、养护人员、数据分析和评估人员、养护管理人员、专家、领导等，数据分析及评估人员和专家还可下载系统提供的在线和离线分析工具包进行专业分析。

外场作业人员（养护人员、系统维护人员）还可通过便携式电脑及PDA维护系统数据。结构健康指标预警信息及突发事件预警信息可通过电子邮件、系统消息及手机短信等模式及时通知相关人员。

2.3 与施工监控及荷载试验关系

2.3.1 与施工监控的关系

结构监测巡检养护管理系统主要用于运营期的结构监测、检测，并为结构养护服务；施工监控系统主要用于施工期间的结构监测、检测，并为施工控制服务，两者的服务目的虽然不同，但使用的监测手段及监测布点是相似的。为此，施工监控的数据对结构监测巡检养护管理系统有很强的指导意义。

结构监测巡检养护管理系统应用模式

此外，在运营期，影响结构监测巡检养护管理系统监测数据的因素主要是活载的变化，从理论上讲，需要研究活载作用下的结构特性和评估方法。施工期间影响施工监控系统监测数据的因素主要是恒载的变化，这就需要在结构加载前就安装好传感器，并在结构各施工工序前后进行观测。当然，从现有的评估理论和评估方法看，掌握恒载作用下结构的响应有助于准确分析活载作用下的结构响应，但是考虑到施工期间设备的可安装性和耐久性均不是很理想，大量使用长期监测设备用于施工监控也是不现实的，为此可综合采取以下措施实现结构监测巡检养护管理系统与施工监控系统之间的数据关联，为结构监测巡检养护管理系统积累施工期相应的监测数据依据。

1）选取若干关键监测截面，参考施工监控的监测布点情况，在加载前即安装长期监测用传感器，直接用于施工监控或者与施工监控数据进行同步比较。这类关键监测截面如：跨中合拢段的梁内应变监测设备在箱梁预制厂安装；吊杆索力、主缆索力监测设备随主缆及吊杆现场安装时同步安装。

2）收集施工监控中的相关数据，用于与运营期结构监测数据进行对比分析。

2.3.2 与荷载试验的关系

荷载试验按照荷载类型还分为静力荷载试验和动力荷载试验。

将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置，以便能够测试出结构的静应变、静位移以及裂缝等，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力的试验称为静力荷载试验。对于桥梁结构来说，静载往往是指以缓慢速度行驶到桥上指定荷重级别的车辆荷载。桥梁静载试验的目的包括：

● 检验桥梁结构设计与施工质量。

● 验证桥梁结构设计理论和计算方法。

● 直接了解桥梁结构承载情况，借以判断桥梁结构实际的承载能力。

● 积累科学技术资料，充实与发展桥梁计算理论和施工技术。

采用动力荷载，如行驶的汽车荷载或其他动力荷载作用于桥梁结构上，以测出结构的动力特性，如振动变形，从而判断出桥梁结构在动力荷载下受冲击和振动影响的试验称为动力荷载试验。桥梁的动力荷载试验与静力荷载试验相比具有其特殊性。首先，引起结构产生的振源(如车辆、人群、阵风或地震力等)和结构的振动影响是随时间而变化的，而结构在动荷载作用下的响应与结构本身的动力特性有密切关系，动荷载产生的动力效应一般大于相应的静力效应；有时，甚至在一个不大的动荷载作用下，也可能使结构受到严重的损坏。桥梁动力荷载试验的目的包括：

● 测定动荷载的动力特性，即引起结构产生振动的作用力的数值、方向、频率和作用规律等。

● 测定结构的动力特性，如结构的自振频率，阻尼特性及固有振型等。

● 结构在动荷载作用下的强迫振动的响应，如振幅、动应力、冲击系数及疲劳性能等。

● 结构监测巡检养护管理系统的监测设备可以用于荷载试验期间的数据监测，而且由于荷载试验使用明确重量和行进方式的荷载作用于结构上，对结构监测系统本身是一个很好的系统总体标定的措施，如荷载试验使用独立的传感器设备，还能对结构监测系统设备的监测质量做一定程度的验证。利用荷载试验情况下结构监测系统的监测数据可以分析得到部分监测设备合理的零值，使监测值更具明确的物理意义。

2.4 与其它系统的关系

结构监测巡检养护管理系统与其它系统也存在密切关系，其它系统主要有：公共信息源（气象、水文、地震）、综合监控、建设期工程管理信息系统，以下分别描述。

2.4.1 与公共信息源的关系

公共信息源主要是指一些公开的信息网站，结构监测巡检养护管理系统主要从公开信息源获取胶州湾大桥所处地理位置在某时间的气象、水文和地震信息，以补充系统监测的数据内容，如水文数据；同时亦可利用获取的公共信息校核系统监测的原始数据是否有大的异常。

与公共信息源接口的数据流程图

上图表示了公共信息源与结构监测巡检养护管理系统的接口数据流程和获取数据的主要用途。

2.4.2 与综合监控系统的关系

与综合监控系统主干传输网络共缆

综合监控系统需向结构监测巡检养护管理系统提供主干传输光缆资源，即同缆不同芯，结构监测巡检养护管理系统单独成网，以确保数据传输的质量和可靠性。

综合监控系统中的交通监控是胶州湾大桥桥面车辆通行状况及通行车辆信息的监控系统，结构监测巡检养护管理系统需从综合监控系统中获取的信息包括：

● 监测区段路面及海面交通视频信号：用于结构监测巡检养护管理系统做突发事件的事后分析评估用。

● 大桥入口所测得的车重信息等：用于统计分析车荷载数据。

右图表示了综合监控系统与结构监测巡检养护管理系统的接口数据流程和获取数据的主要用途，当结构监测巡检养护管理系统监测到异常信号（如重车超限预警）后，数据显示模块向综合监控系统发送查看预警位置附近交通监控视频的信号，该信号包含起始时间、监测区段和交通监测视频点编号，其中交通监测视频点编号与综合监控系统中编号相同，由结构监测巡检养护管理系统从综合监控系统中获取编号预存于结构监测巡检养护管理系统的系统参数数据库中。如有需要，结构监测巡检养护管理系统还可向综合监控系统发送控制轴重的数据，这里主要是指如遇到大风开始控制桥梁交通时的情况。

与综合监控系统接口的数据流程图

2.4.3 与建设期工程管理信息系统的接口

结构监测巡检养护管理系统与工程管理信息系统的接口主要在于获取结构相关的设计和施工资料。与前面描述的接口不同，建设期工程项目管理信息系统直接通过数据库与结构监测巡检养护管理系统进行数据交互，即用户仍可通过建设期工程管理信息信息系统维护相应的结构信息，而结构监测巡检养护管理系统直接共享其数据库，数据显示时直接从数据库读取相应的结构信息。为实现数据共享，需要在结构监测巡检养护管理系统中建立监测部位和建设期工程管理信息系统中工程部位及构件的关联。

为进一步丰富结构监测巡检养护管理系统的显示方式，可以利用建设期工程管理信息系统中的4D形象进度模块用于监测数据和巡检数据的显示和查询，并可通过点击相应的结构部位方便的查询结构单元的信息卡和病历卡。