浅谈斜拉桥施工安全及桥梁健康监测系统
2015-06-24
道路桥梁建设是我国现代化建设进程的重要组成部分，对我国经济持续增长和社会进步有至关重要的影响。桥梁作为道路交通动脉的关键节点，其重要作用越来越为人们所重视。近年来，我国桥梁建设发展迅速，资金投入巨大，由于桥梁在经济社会中的显赫作用，它的安全性、可靠性越来越受到重视。近年来，国内发生的几起大桥坍塌和局部破坏事故，使人们更深入地认识到，桥梁结构健康安全监测的必要性和迫切性，它已成为桥梁领域的一个重要方面，直接牵涉到桥梁和人民财产的安全性、经济性和社会效益的发挥。
在桥梁建设中，斜拉桥的安全监测主要集中在施工安全和桥梁健康两方面：一方面新建桥梁结构需要进行施工监控，以确保施工质量，顺利通车[1][2][3]；另一方面由于自然灾变和老化作用，桥梁运营过程中，会出现各种病害，潜伏着巨大的安全隐患，威胁桥梁安全[4][5][6]。
因此，为降低陈本提高利用效率，可以考虑开发同时应用于建设中施工安全和使用中桥梁健康的监测系统。
1.监测系统的功能分析
开发同时应用于施工安全和桥梁安全的监测系统，其功能是对桥梁建设和使用中情况进行监测，从而降低相应事故的发生实现安全建设和安全使用目标。按已有研究，一般认为斜拉桥的安全监测的过程是在重要结构的某些部位安装传感器，测量结构的某些物理量如应力、应变、加速度、位移等，将测得的这些物理量传至计算机，计算机根据这些物理量推断出结构的工作状态。因此，开发斜拉桥安全施工和桥梁健康监测系统，系统一般需要具有以下三方面的基本功能：
1）监测桥梁结构中关键部位的结构内力变化。在施工中结构应力的监测是对于桥梁施工是否达到设计要求最直接的反映，对于保证工程质量具有重要意义。在桥梁健康监测中，关键部位的应力变化是对桥梁使用过程中损伤情况估计的基础。
2）对桥梁内部结构变化和损伤的估计。关于桥梁施工、使用过程中，由于结构的环境、荷载、应力、变形等参数变化而导致的结构内力状态改变及损伤已经有较多理论研究。开发相应监控系统中需要根据监测到的监测值结合已有研究对斜拉桥情况进行评估，以保障桥梁结构在施工过程和运营过程中的安全，并具备在结构遭受突发性荷载或损伤时及时的给出报警，从而降低突发事件对桥梁安全的影响。
3）对桥梁健康情况的常态监测。在斜拉桥施工和使用中，桥梁内部结构的变化是渐变得，对桥梁损伤的判断和及时、恰当的养护与维修都是在全面系统地把握结构的健康状态的基础上进行的。因此，系统需要能够长时间，大周期范围内保留监测的数据，并据此对桥梁结构进行估测，从而科学养护维修斜拉桥，从而能够尽量延长斜拉桥安全运营的时间，降低结构的寿命成本。
2. 系统硬件设备分析
系统硬件设备主要包括斜拉桥检测装置、数据处理的计算机系统和数据发布的网络系统三部分。由于计算机技术和网络的技术的快速发展，可以采用已有成熟的计算机系统和互联网进行系统的开发，因此系统硬件设备的开发主要集中于斜拉桥检测装置的开发中。
斜拉桥内部结构检测装置的开发主要包括两个方面，一是那些关键部位需要安装传感器，二是如何进行安装。
对于传感器安装部位的选择，根据已有理论研究和相关系统的开发经验，结合斜拉桥施工过程和使用过程中安全监测的需要，开发相应系统时可将系统传感器运用于斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆和系杆、悬索桥的缆索体系、预应力结构的体外索和体内预应力筋、大跨索膜结构的拉索、地锚和环锚等结构。
而对于传感器的安装主要包括以下几个步骤：1）对各种规格拉索定型的传感器产品进行选型；2）分析传感器生产工艺，研制配套生产装置研制；3）研究所选用传感器性能及安装使用方法；4）利用光纤光栅智能钢绞线机械化生产线制作出拉索用Ф15.24光纤光栅智能钢绞线；5）磁通量传感器现场绕线装置的设计与制作；6）传感器装置的安装调试。
3.系统软件分析
随着信息化的不断深入，一般的斜拉桥监控系统都不是独立的，需要与已有的政府企业系统进行对接。所以斜拉桥监控的系统的开发一般需要依托互联网技术，实现工程结构的远程在线安全监测，形成信息管理、分析研究及技术服务平台，提供面向业主、管理部门及广大用户（工程项目）的专业服务，协助其进行专业管理、数据分析、人才培养等。因此，按已有监控系统的开发经验，系统软件分析主要包括系统构架、数据流程、人机交互三个方面的内容。
根据上述软件要求，可以采用已有监控系统的构架进行开发。比如在斜拉桥监控系统中可以整个系统采用C/S+B/S架构，基于.net和labwindows/cvi平台开发，使用SQL2005数据库。这样软件系统与硬件设备结合形成了一个以桥梁结构为平台，应用现代传感、通信和网络技术，集结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理和桥梁养护管理等功能为一体的综合监测系统系统。
而整个软件的数据传输流程为：软件系统的的原始数据来源于硬件设备中传感器装置采集到得数据，一般通过无线网络进行传输，然后并入互联网中送入数据处理系统，接着将处理的结果与原始数据存入数据存储系统，通过数据发布系统使得使用者可以远程实时的实现对斜拉桥施工、使用过程中桥梁结构情况的监控。同时，软件系统通过对数据的分析和历史数据的对比能够在无人看守情况下，定时自动采集数据，对安全危险进行报警，从而能够及时监控安全隐患。
对于系统的人机交互，主要包括四个方面：权限管理、数据查询、生成报告、干预检测。1）权限管理：登录成功后可以查看当前用户所属业主的所有工程。如果是超级业主可以查看所有业主的所有工程。对不同用户设置不同的权限。2）数据查询：可查询某一工程某一测量点的历史数据和原始数据的分析结果。3）报告生成：根据需要按一定周期生成监测报告，对结构安全进行评估。4）干预检测：可在人工干预情况下，进行手动测量。
4.开发实例
根据以上研究开发了一套用于斜拉桥施工安全与桥梁健康监测的系统，该系统已获专利授权9项，其中发明专利2项，实用新型专利7项。产品已研制成功并通过了权威部门的成果鉴定，成功应用于柳州文惠桥、南宁永和桥、宜宾长江大桥、武广高铁、京沪高铁、香港昂船洲大桥、甘肃九电峡水利枢纽等工程。
