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[路桥技术] 桥梁结构安全监测的技术

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疾风剑客 发表于 2019-8-19 16:51:07 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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20世纪80年代末期,我国著名光电专家黄尚廉院士敏锐地看到了桥梁结构安全监测技术的重要性、先进性、前瞻性;高瞻远瞩地指出,该技术具有多学科交叉的包容性、跨学科发展的带动性、对未来产业的牵引性,从而在国内率先提出开展该项技术的建议。在黄尚廉院士的倡导与亲自组织下,重庆大学光电技术研究室在国内率先开展了该前沿领域的艰苦探索。

桥梁结构安全监测的感觉器官、中枢神经、思维大脑这三大关键技术都是典型的信息技术,但其针对的对象却是典型的结构工程技术,因此要实现桥梁结构监测的梦想,就必须使信息技术与结构工程技术有机融合,这就要求信息人必须首先“跨界”进入土木界,从而了解桥梁结构的特点、掌握并吃透其难点,发现突破点、找到解决方案。

为此,1993年刚从日本留学归国的陈伟民教授,在争分夺秒研究桥梁结构监测的基础理论与技术,研制特殊传感器的同时,还挤出时间虚心向土木工程与桥梁界学习。

长期穿梭于当时的交通部重庆公路研究所、重庆大学,向土木工程界虚心学习,并直接进入到杨公桥立交桥这个当时西南地区最大的立交桥建设工地,从挖地基、打桩机、扎钢筋、做模板等基础工艺入手,了解与学习混凝土浇筑、保养,结构的预应力张拉、施工参数测量与控制等,经历一年多时间,从一个桥梁与土木工程的门外汉,逐步进入了桥梁工程的大门,为后续带领团队“跨界”科研奠定了坚实的基础。

“感觉器官”之创新

传感器系统是桥梁结构安全的感觉器官,是直接获取桥梁结构状态原始信息的关键,是桥梁结构安全监测需要攻克的第一道难关。


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由于桥梁是具有拱桥、连续刚构桥、悬索、斜拉桥等多种不同形式,且包含墩、梁、塔、杆、索等多个重要构件,并主要由钢筋与混凝土以及钢结构组成的复杂结构。

因此,要对桥梁的结构安全进行监测,就必须面临一系列特殊困难。其在材料上具有各向异性的特点,其在结构内部的受力方式是超静定结构、其承受的外载荷则是随机非均匀运动冲击,其整体尺度动辄就是千米级的庞然大物、建设的时间往往持续数年。

因此,桥梁结构安全监测的传感器系统,必须与桥梁的结构与材料具有良好的相容性,能满足不同桥型、不同构件、不同环境的监测要求。它必须要解决三大难题。

01是要将其“植入”桥梁结构,获取桥梁结构原始状态参数信息;

02是传感器的植入既不能影响桥梁结构的自身性能与安全,又不能影响桥梁的施工与维护;

03是传感器必须要在桥梁现场恶劣的野外现场环境下,长期、稳定、可靠地工作。而当时的任何传感器系统,都不可能满足这些要求,只能自力更生、自主创新。

为此,陈伟民教授与他的团队,不怕困难、时刻攻关,心无旁骛、排除一切干扰与诱惑,一心要啃下这个硬骨头。他们既大胆创新又严谨科学,经10余年的潜心研究,终于在桥梁结构安全的“感觉器官”方面,结出了丰硕的成果。

应变是结构安全监测最重要的指标,它反映的是结构局部受力的关键参数,而光纤传感器是当时最先进、最具潜力的应变传感器技术。但是外径仅0.125毫米的光纤纤细脆弱,其专用测量仪表更是尖端昂贵、属于发达国家对我国封锁的技术。

团队经过无数个不眠之夜,终于取得重大突破,攻克了光纤应变传感器的保护及温度补偿难题,发明了埋入式光纤法珀应变传感器、混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器;

解决了光纤法珀应变传感器的解调与标定难题,发明了光纤法珀应变测量仪、光纤传感器的通用、高速波导波长扫描解调方法及装置,以及光纤法珀应变传感器标定的高精度大范围微位移工作台,最终形成了实用化的光纤法珀应变传感器系统,开创了光纤应变传感器系统在桥梁上的大规模应用先例。

在此基础上,还深入研究了光纤传感器的长期稳定性,建立了光纤光栅应变传感器的疲劳衰变模型,提出了光纤传感器性能蜕变的在线评价方法、以及性能蜕变条件下的数据解调方法,填补了行业空白。

还针对光纤应变传感器现有环氧封装技术的缺陷,发明了金属化封装新技术,大幅度提升了传感器的可靠性,促进了该技术的发展。

变形是结构安全监测的另一个重要指标,它能反映结构的整体状况。

虽然光学全站仪已经广泛应用在桥梁施工过程的质量监控中,但由于它必须人工操作,且是精密光学仪器,无法适应现场雨雾与灰尘等恶劣工作环境;

虽然全球卫星定位系统(GPS)正在兴起,在全天候工作等方面显示出极大优势,并已在少数特殊场合得到应用,但却面临价格昂贵、测量精度难以满足要求、存在技术垄断等瓶颈问题。为此,团队成员另辟蹊径、大胆创新,攻下了这个山头。

利用激光投射原理、成像原理、组合光电阵列,分别发明了激光位移测量方法、自标定自编码成像法多点动态位移测量方法、二维大量程激光位移测量方法、桥梁挠度对称式光电自动测量装置、桥梁挠度光电自动测量装置;

利用光纤干涉与液体平衡反射器原理,发明了光纤倾斜传感器,最终形成了适应不同结构变形监测的大量程、高精度传感技术系列专利,覆盖了200~2000毫米的测量范围,并达到了0.1~3毫米的测量精度。

在此基础上,又进一步将全球卫星地面定位系统(GPS)与地基雷达技术结合,发明了三维变形监测的有源异频反射雷达系统,开发出了实验样机,以极其低廉的成本达到了0.02毫米的测量精度,使结构的变形监测技术更加丰富,并形成了系列产品。

为了不影响正常的航运、突破地理条件的限制,各类缆索承重桥发展迅速,并已成为大跨径桥梁的主流技术。而缆索作为缆索承重桥最关键的受力部件,对其索力进行监测就显得十分重要。

但由于缆索具有柔性大、变形大的特点,也一直没有理想的长期监测手段。为此团队首先在原有拉索固有频率的手动测量方法基础上,利用固有频率各次谐波之间的频差,通过迭代计算方法,研制出了斜拉索固有频率自动监测系统;

其后,又根据磁芯线圈的磁通原理,开发出了磁弹性索力监测传感器;更利用拉索的内力分布特性,通过将光纤应变传感器植入缆索内部的方式,攻克了在拉索制造过程中植入传感器的世界性难题,研制出了具有索力自感知功能的智能缆索。在索力监测方面,形成了缆索索力测量的系列传感器技术。

这一系列创新与突破,使得桥梁结构安全有了“感觉器官”,使桥梁具有“状态自感知”成为可能。

“中枢神经”之创新




采集控制与传输系统是桥梁结构安全的“中枢神经”,是将传感器系统联网,并远程控制其进行数据的自动采集、将数据传输到管理中心的关键。因此它是桥梁结构安全监测需要攻克的第二道难关。

由于桥梁的尺寸巨大、结构复杂,因此需要监测的部位众多;而桥梁的受力特性复杂、结构衰变的影响因素与表现形式众多,因此需要监测的参数类型众多。一般而言一座特大型桥梁,至少需要采用3~5种、上百个不同类型的动、静态传感器。

由于这些传感器的种类各不相同,又分布在全桥数万平米的范围上,仅将它们连接起来,就需要数十甚至近百千米的信号与电源线。

因此要使它们按照要求准确地工作,就必须解决网络的架构设计、不同类型传感器的接口兼容与转换、多传感器时序的协调控制等问题;还要解决微弱的模拟信号长线传输的衰减问题、传感器网络系统在高速动态情况下的同步采集问题;

更要解决现场线路之间的交叉串扰、电源的浪涌冲击,以及雷击的防护等一系列技术难题;还要解决多传感器的网络架构优化、有线/无线传输系统的优化,以及数据传输的可靠性等实际问题,特别是系统的可靠性,因为任何程序或时序的一丁点瑕疵在无人值机状况下都会成为致命的停机。

通过跨专业的协作,团队较好地解决了这些复杂问题,并使每座桥梁上各个孤立的传感器被联系在一起,组成一个完整的信息集,构成一个传感器网络;还通过这个中枢神经,使一座座独立桥梁的信息被汇集在一起,构成一个包罗万象的桥梁集群信息集、桥梁结构安全专用的“物联网”,为我国的物联网技术做出了开拓性的探索工作。

“思维大脑”之创新

数据分析与评估预警系统,是桥梁结构安全的“思维大脑”,它要对桥梁结构的状态信息进行自动分析,并对结构的安全状态进行智能评估,当发现事故先兆时自动预警,因而,它是整个桥梁结构安全监测的最高“决策层”,也成为桥梁结构安全监测需要攻克的第三道难关。

由于桥梁的结构复杂、测点众多,桥梁结构监测系统又必须常年累月24小时不间断地连续工作,因此每座桥梁需要处理的数据量非常巨大;而由多座桥梁组成的桥梁集群系统的数据量等也是海量数据,因此它就是一个初级的“大数据”系统。

由于传感器采集到的原始状态信息都是一些孤立的、海量的数据,只有通过大量的数学统计与分析,并依靠桥梁专家的复杂力学计算与逻辑分析,才能对桥梁结构的安全性做出合理评估,才可能对结构事故隐患或先兆的程度做出科学的评判。

因此这个“思维大脑”必须借助最先进的数学分析计算工具、并融入大量的专家系统,而且需要分别从静态与动态两个方面,对结构的局部安全性、整体安全性分别评估。

但是对于常人而言,这个评估结果依然是一些枯燥的数值、是常人无法读懂的“天书”,因此必须要把它转化为常人易于理解的“通俗读物”“动画片”,因此评估结果的可视化显示、系统界面的人性化设计,也是其非常重要的内容。

当桥梁的结构安全性降到一定程度时,系统必须发出预警,但是这个预警的阈值确实不能是一个纯理论的计算值,而是一个考虑桥梁使用期限与实际结构状态、交通流量与环境变动的一个非常复杂的动态量。

因此充分考虑桥梁结构的整体复杂性与个体特殊性、考虑桥梁安全影响因素的多元性以及交通荷载与环境影响的不可知性,具有结构自适应的特性。

此外,传感器系统处于桥梁现场的恶劣工作环境,其采集到的原始状态信息必然存在各种干扰与噪声;而其长期使用后必然会有一定程度的的性能蜕化甚至部分失效,这都会引起原始信息的失真、从而对后续的结构安全评估产生严重影响。

导致对结构安全事故的误判或漏判,误导桥梁的维护加固工作、或者贻误最佳的维护加固时机,因此在进行数据分析与评估之前,必须对原始信息进行数据诊断,以降低传感器系统蜕化或干扰、噪声对评估结果的不利影响。

在此方面,团队与土木工程、计算机技术、自动化技术的专家紧密合作,在桥梁结构安全的“思维大脑”方面,做了大量开拓性的工作。

在原据的预处理方面,针对数据的失真与失效问题,引入计算机通信中的差错控制技术,提出了原始数据失效诊断的方法,并进一步发展,将时间相关、结构相关、参数相关等多种算法融合,大幅度提高了数据诊断的有效性,并针对性地提出了失效数据的修补方案。

在结构分析计算方面,针对桥梁的动态交通荷载以及静态温度荷载存在严重的随机性问题,以桥梁结构响应中的活载效应和劣化效应为评价信息,通过对其相应的历史数据进行统计分析,以评价量出现不可恢复的单向变化趋势为“不安全”特征,进而判断桥梁结构的安全状况,在无需结构的精确模型和系统的已知激励条件下,提出一种基于统计理论的桥梁结构安全评价体系,并建立了相应的理论框架。

同时进一步将桥梁结构安全评价与环境特性相联系,深入分析了桥梁结构响应及其影响因素的时间多尺度构成特点,利用小波分析理论,通过对结构响应的历史数据进行时间多尺度分析,成功实现了桥梁结构响应的瞬变信息(活载效应)和缓变信息的有效分离,从而完成了从激励未知的结构响应历史数据中挖掘并提取反映结构安全情况的活载效应信息和劣化效应信息,解决了桥梁结构安全评价中一直没有解决的难题。

在桥梁结构的安全评估方面,根据桥梁结构响应活载效应和劣化效应信息的统计特点,设计了相应的单变量EWMA控制图,采用“最优控制限”的方法,并结合桥梁结构可靠度的国家规范,设置了两级控制限分别进行初级预警和安全告警,根据统计量在控制限内外的分布判断桥梁结构的安全状况,并模拟了结构损伤后的评价情况。

在此基础上,以统计分析技术为工具,构造了结构安全评价的两种统计指标WRI和RSI,进一步减小误发警报和漏发警报的概率。

针对桥梁结构力学计算的边界条件存在严重的不确定性、材料初始参数存在极大的分散性等问题,提出以D-S证据理论为融合工具,根据桥梁实际情况和各种评价方法的特点,构造了评价证据的基本概率分布,并进行信息融合和决策,实现了桥梁结构的综合评价。

针对桥梁结构的复杂性,提出了层次分析法,并从桥梁过去的安全状态评估出发,提出了基于可靠度理论的桥梁远程监测评价方法;

从桥梁未来的安全状态预测出发,提出了基于系统预测的桥梁远程监测评价方法;从桥梁当前的安全状态估计出发,提出了基于有限点监测的全桥状态分析方法。从而建立了完整的结构安全评价体系。

而在结构预警的阈值方面,通过引入无量纲化处理、变权重技术、关联模式识别,以及神经网络、遗传算法等现代方法,使得固定阈值变为活动阈值、自适应阈值。

在评估结果的可视化显示方面,采用现代显示手段,将枯燥的数据结果以图形为主、三维动画为主的形式显示出来,使管理者一目了然。在该方面获得了XXX项专利授权,成为桥梁结构安全“大数据”的先行者。

作者: 陈伟民  章鹏  刘纲  雷小华(重庆大学)


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