中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法_伊廷华.pdf
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1、第 36 卷第 2 期2023 年 4 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol.36 No.2Apr.2023中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法伊廷华,郑旭,杨东辉,李宏男(大连理工大学土木工程学院,辽宁 大连 116024)摘要:从桥梁监测的工程需求出发,深度剖析了中小跨桥梁与大跨径桥梁监测需求的区别,首次提出了中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计理念,系统构建了由输入、输出和标定三者组成的监测系统轻量化设计方法和流程,详细阐述了支撑该方法实现所需的系统识别理论、结构分析理论和承载能力评估理论,文末对该方法的未来发展进行了初步
2、展望。该方法为规范中小跨径桥梁结构健康监测技术提供了一条切实可行的思路,推进了桥梁智慧管养的工程实用化进程。关键词:桥梁健康监测;中小跨径桥梁;轻量化设计;影响线;状态评估中图分类号:U441+.4;U446.3 文献标志码:A 文章编号:1004-4523(2023)02-0458-09 DOI:10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.02.017引 言公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)1规定:单孔跨径在 540 m 之间的桥梁属于中小跨径桥梁。根据交通运输行业发展统计公报2显示,截至 2021年底,中国公路桥梁已达 96.11万座,其中中小跨径桥梁 8
3、1.92 万座,总量占比高达 85%。在长期服役过程中,由于环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应及突变效应等不利因素的耦合作用,这些桥梁将不可避免地产生结构损伤积累和抗力衰减,致使各种灾难事故屡有发生3-4。因此,保障量大面广的中小跨径桥梁服役安全,已成为桥梁领域的重大需求。近些年,随着先进传感和物联网技术的发展,结构健康监测已成为确保桥梁服役安全的重要手段之一,其系指利用现场的、无损的、实时的方式采集结构的输入与输出信息,分析结构性能的波动、劣化或损伤特征,并为管理和养护提供决策支持的技术 5。因结构健康监测具有实时采集外部环境荷载作用、在线把握结构响应特征、识别结构可能损伤形式、揭
4、示结构倒塌破坏机理、优化结构维修养护计划、验证发展既有设计理论这六项独特优势6,与理论分析、数值仿真和模型试验一起被誉为土木工程学科发展的“四轮驱动”7。众所周知,大跨径桥梁通常属于路网连接的咽喉枢纽,一旦发生垮塌,将会导致整个区域的交通瘫痪,因此其重要性显而易见。此外,大跨径桥梁为保证其跨越能力,结构形式一般较为复杂,每座桥梁都需进行特殊设计8。因此,对其建立综合全面的结构健康监测系统就显得非常必要。以港珠澳大桥为例,仅青州航道桥主跨就安装了 277 个不同类型的传感器,全方位监测其环境与荷载作用(风、温湿度、地震动、车载等)和结构响应信息(振动、形变、应变、索力等)9。交通运输部 2020
5、 年 11 月更是颁布了公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案(征求意见稿),拟在“十四五”期间对中国在役、新建单孔跨径 400 m 以上悬索/斜拉桥梁、单孔跨径 160 m以上梁桥和单孔跨径 200 m 以上拱桥,全面建成结构健康监测系统。然而,与大跨径桥梁不同,中小跨径桥梁的数量十分庞大,其设计和建造一般采用标准化方案10,且结构形式较为简单、失效模式相对明确。因此,以全面把握结构状态为目标的传统监测系统设计方法并不适用,亟需建立专门的设计方法。为此,本文首次提出中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计理念,系统构建了由输入、输出和标定三者组成的监测系统轻量化设计方法,详细阐述了支撑该方法
6、实现所需的系统识别、结构分析和承载能力评估理论,文末对该方法的未来发展进行了展望。1轻量化设计理念1.1定义和科学内涵众所周知,轻量化的概念最初来源于汽车工业,收稿日期:2021-08-26;修订日期:2021-11-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(51978128,52078102,52208147)。第 2 期伊廷华,等:中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法其目标是实现汽车功能、重量和造价的最佳权衡11。随着工业制造逐步迈向智能化时代,轻量化的概念也开始向其他设计和管理领域不断延伸。与工业产品制造相比,结构健康监测有其鲜明的特点,其系统设计需要综合考虑投资规模、测点布设、设备
7、选型、现场施工、结构分析和维护管理等多个方面。因此,若想实现对中小跨径桥梁结构健康监测系统的合理化设计,必须考虑标准化、低成本和多功能三个方面,这即为本文轻量化设计方法的理念来源。通俗来讲,中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计是一种以实现桥梁正常使用和对承载能力极限状态在线评估为目的,利用少量传感器对车辆荷载、结构刚度和关键截面内力进行综合监控的监测系统构建方法。结构健康监测通常包括环境与荷载作用(输入)监测和结构响应(输出)监测两部分。若已知输入和输出信息,即可对桥梁系统进行识别。桥梁结构的系统识别可分为基于高频振动信息的动力(模态)参数识别和基于低频变形信息的静力参数识别两类。大跨径桥梁
8、造型复杂,模态参数在环境与荷载激励下变化明显,对其准确辨识对于桥梁性能诊断具有重要意义12。而中小跨径桥梁因结构刚度较大使得振动并不明显,且因其模态解析形式已知和相对稳定,对其进行模态参数识别意义有限。与此对应,基于变形信息的结构静力参数识别仅需利用少量较低频率响应的传感器即可直接识别出结构的刚度等参数,其信噪比高且工程意义非常明确,故应是中小跨径桥梁结构健康监测系统设计重点考虑的方向。对于中小跨径桥梁,若以车辆荷载作为输入,以静力变形作为输出,通过识别得到的结构物理参数称之为桥梁的影响系数,其正式定义为:当与桥面垂直的单位荷载位于桥面某一位置时,结构的某一个截面上某一点的响应即为该点对应该荷
9、载位置的影响系数13。若单位荷载沿车道移动,可将不同荷载位置处的桥梁影响系数连接得到影响线,对多个车道的桥梁影响线进行组合,即可得到影响面。图 1给出了某三跨连续梁中跨某截面的应变影响线和挠度影响线。从图 1 中可以看到,影响系数作为结构的静力指标,从桥梁某截面的响应中可获取反映整个结构的状态特征。因此,可以将影响系数识别作为监测方案设计的目标。基于此,表 1 梳理给出了大跨径桥梁与中小跨径桥梁监测的需求对比。1.2设计目标和方法特点根 据公 路 工 程 结 构 可 靠 性 设 计 统 一 标 准(JTG 2120-2020)的规定14,桥梁设计应满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求。
10、传统的中小跨径桥梁承载能力评估一般采用荷载试验的方法,即通过测试桥梁在设计荷载作用下的变形值,将其与理论变形值进行比对来判断结构的承载能力状况。如上节所述,对中小跨桥梁结构健康监测系统,若可实时获取桥梁的静力变形和车辆荷载信息,通过对结构影响系数进行识别,将识别得到的影响系数乘以对应位置的虚拟设计荷载,即可得到结构的虚拟变形值,这样可达到替代传统荷载试验的目的。图 1 某三跨连续梁中跨某截面影响线Fig.1 Influence lines in certain section of a three span continuous beam bridge表 1 大跨径桥梁与中小跨径桥梁监测需求对
11、比Tab.1 Comparison of monitoring requirements between long-span bridges and short-and medium-span bridges对比内容桥梁数量结构形式激励特点响应特点工程需求大跨径桥梁(全方位监测)桥梁特点数量少构造复杂车载复杂且与环境荷载同为重要激励源振动明显全面把握整体和关键构件性能变化监测方案需求单体监测专用方案需全面获取车载和环境荷载信息需全面获取动静力参数信息需以模态参数和物理参数识别为目标中小跨桥梁(轻量化监测)桥梁特点数量多构造简单车载简单且为主要激励源振动不明显把握整体性能变化监测方案需求集群监测
12、通用方案仅需准确获取车载信息仅需获取静力参数信息仅需以影响系数识别为目标459振 动 工 程 学 报第 36 卷因此,中小跨径桥梁结构健康监测的物理量应包括:车载信息、关键位置变形信息和关键截面内力(应变)信息三类。其中,变形测点应布设在桥梁运营时理论最大变形位置处,内力测点应布设在结构内力最不利截面处。基于上述目标,本文给出了中小跨径桥梁健康监测系统轻量化设计所需的支撑理论(图2),其主要包括系统识别理论、结构分析理论和承载能力评估理论。通过梳理可以发现,对结构健康监测系统进行轻量化设计有如下优点:1)成本低,仅需少量的传感器和采集设备;2)信息全,既能获取车辆荷载信息,也能获取桥梁响应信息
13、;3)功能多,通过少量传感器信息即可全面把握桥梁结构刚度分布和控制截面内力;4)实时强,可以根据桥梁承载能力的演化在线分级预警。2轻量化设计方法基于上述轻量化设计理念和所需的支撑理论,本文构建了由输入、输出和标定三者组成的监测系统轻量化设计方法。2.1输入(荷载)信息监测系统设计车载信息可分为三部分,即:1)重量信息(车辆的总重和轴重);2)位置信息(车辆在桥上的不同时刻的位置);3)几何信息(车辆的轴数、轴距和轮距)。常规的车载信息监测手段分为路面式动态称重系统、桥梁动态称重系统和视频动态称重系统三类。常见的路面式动态称重系统一般为贯穿车道的条形称重模块,当车轴通过称重模块后,通过模块中传感
14、器的响应与荷载的关系即可换算得到轴重。由于这种方式获取车重信息的稳定性易受车辆冲击效应的影响且无法对车辆变道等复杂工况准确识别,使其在实际应用时受到诸多限制。针对这些问题,利用桥梁局部响应的线性特性来识别车载的桥梁动态称重系统(Bridge Weigh-In-Motion,简称 B-WIM)逐渐成为主流15。一套完整的 B-WIM 系统由车辆轴距探测器和称重传感器两部分组成。这种方式通过车辆过桥时桥梁底部多个应变计的峰值时差和布设间距判断车速和轴距,其可对单个车辆的几何信息和位置信息进行很好地识别,进而可采用称重应变计数据根据 Moses16提出的称重算法对车重进行识别。B-WIM 系统对车重
15、识别的精度与传感器的数量相关,若需获取车载的空间分布,需在多个车道均布设传感器。为了更好地获取车辆位置信息,应用监控视频对车载识别成为了近几年的热门研究方向17。通过视频对车辆的几何和位置信息进行识别具有成本低、精度高、非接触式等显著优势。表 2对这几种车辆动态称重方式的特点进行了对比。因为视频动态称重系统在车载的几何和位置信息识别方面具有独特的优势,且这种非接触式测量系统的安装维护非常方便,所以非常适合轻量化设计的需求。但该方式只能通过与车辆数据库进行对图 2 结构健康监测系统轻量化设计支撑理论Fig.2 Theoretical framework of lightweight design
16、 method for structural health monitoring system表 2 不同的车辆动态称重方式对比Tab.2 Comparison of different vehicle weigh-in-motion methods对比内容系统组成位置信息几何信息重量信息安装维护路面式动态称重系统埋入式称重模块仅能识别出车辆通过称重模块时的位置无法识别可准确识别通过模块的每一车轴轴重破坏桥面,安装复杂,可维护性差桥梁动态称重系统称重传感器和轴距探测传感器(应变)可识别出车辆的车道分布和平均车速复杂车流分辨能力差可准确识别总重和每一车轴轴重在主梁下部安装方便,可维护性好视频动态
17、称重系统高清摄像头可全面识别车辆的实时位置分布识别结果较好通过对比数据库的车重粗略估计摄像头的安装方便,可维护性好460第 2 期伊廷华,等:中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法照来估算车重信息,所以其准确性存在局限。因此,这里提出联合 B-WIM 系统与视频动态称重系统进行中小跨径桥梁的输入信息监测。图 3给出了装配式 T梁桥输入监测系统轻量化设计方案示意图。对于这种桥型,B-WIM 应变计应布设在腹板位置,且应根据精度需求确定布设数量。对于其他桥型,B-WIM 应变计应根据数值分析结果布设在车载敏感位置。对于摄像头,其分辨率应达到视觉识别算法的最低要求,且视野区域能够覆盖所有车道。对
18、于多跨中小跨径桥梁,为减少称重传感器的数量,可仅在桥梁边跨布设 B-WIM 系统,将称重结果与摄像头识别的位置信息进行对应即可,并可通过多个摄像头采用视野接力的方式实现对车辆的持续追踪。2.2输出(响应)信息监测系统设计输出信息监测系统轻量化设计包括科目确定、测点选择和设备选型三个步骤。因为轻量化设计应以影响系数识别为目标,所以监测科目应以静力变形为主,具体可分为整体变形和局部变形监测两大类。局部变形监测主要指对结构应变的监测,其可获取结构某一区域刚度的变化情况;整体变形监测主要包括结构挠度、转角和曲率三种物理量的监测,它获取的是结构的整体刚度变化情况,这三种物理量可以相互转换,如下式所示:(
19、x)=1()x=v()x1+()v()x23/2 v(x)=(x)(1)式中(x)为桥梁主梁x位置处的曲率;(x)为曲率半径;v(x)为挠度;(x)为转角。因为这三种物理量存在转换关系,所以可选取任意一种作为监测科目。考虑结构曲率在实际监测时一般难以直接获取,而空间转动较为复杂且转角测试精度较低,所以可选取挠度作为监测科目。应变虽然只能反映结构的局部刚度,但根据应力-应变关系可知,应变本身是结构内力的反映。为了有效把握结构关键截面的内力,也需对关键截面的应变进行监测。由上可知,输出信息监测系统应以挠度和应变作为监测科目,其测点位置与结构自身受力特点有关。桥梁挠度监测测点应布设在荷载作用下结构理
20、论变形最大位置处,而应变监测测点应布设在结构的最不利内力位置处。这里对三类主要中小跨径桥梁(简支梁桥、连续梁桥和拱桥)的控制截面进行了测点设计,如图 4所示。其中,简支梁桥需在跨中截面最大正弯矩处布设应变计和挠度计;连续梁桥需在支点最大负弯矩、跨中最大正弯矩和边跨最大正弯矩处布设应变计,在跨中和边跨最大变形处布设挠度计;拱桥需在拱顶最大正弯矩和拱脚最大负弯矩处布设应变计,在拱顶最大变形处布设挠度计。对于其他桥型或进行过加固改造的桥梁,应根据其具体受力特点,按最不利的原则选择测点。现阶段桥梁响应监测主要包括电、机械、光三类传感器,其中:电类传感器是将被测量直接转变为电信号输出,主要包括加速度计、
21、应变计等;机械类传感器是将被测量转变为机械量,在监测应用中可通过电类传感器将机械量转变为电信号输出,传感器图 3 输入信息监测系统轻量化设计Fig.3 Light-weight design method for input information monitoring system图 4 输出信息监测系统轻量化设计Fig.4 Light-weight design method for output information monitoring system461振 动 工 程 学 报第 36 卷主要包括千分表和百分表等;光类传感器是通过光敏元件测出光信号的变化,可通过光电信号转换以电信号输
22、出,或者直接输出光信号,常见传感器主要包括光纤光栅和全站仪等。在实际监测时,应综合考虑传感器的量程、频率响应、灵敏度、精度、分辨率等进行合理选型18。传感器量程应根据结构的理论状态来确定,一般可选理论极限状态变形的 1.52倍;频率响应可根据车速和影响系数分辨率来确定,其关系如下式所示:f=vR(2)式中 v为车速;R为系统识别时两个识别影响系数之间的间距;f为传感器的采样频率。对于普通公路桥而言,为保证影响系数分辨率达到 0.5 m,传感器的采样频率宜高于 50 Hz。2.3监测系统标定方法在监测系统投入运营之前,应对其进行标定,该过程即是对桥梁所有响应监测量对应的影响系数进行精确识别的过程
23、。具体标定流程如下:(1)选择适宜的标定车辆。车重不宜低于 30 t,车上配备车辆位置指示器(位置分辨率不应低于0.01 m)。常用的位置指示器包括全球导航卫星系统、滚轮式位置指示器、激光式位置指示器等。(2)测量标定车辆的几何信息。准确测量出单个车轴两车轮之间轮距和相邻车轴之间的轴距,距离精度不应低于待识别影响系数的分辨精度。(3)对标定车辆进行称重。准确称出车辆的各个轴重Ai和总重WGV,称重精度不应低于 0.01 t。(4)采用标定车辆进行测试。选取车流较少的时段,将车辆怠速依次通过桥梁各个车道,测试过程中应确保无其他车辆干扰。(5)对测试结果分析和存档。应用识别出的局部应变影响线对车载
24、识别系统进行标定并存档。由于桥梁在服役过程中性能会不断劣化,当遇到以下情况之一时应考虑重新标定:(1)通过响应时程反演得到单车车重时程出现较大变化,或同类型车辆车载出现大于 20%规律性突变,显示称重系统不准确。(2)距上次标定的时间超过三年。3轻量化设计支撑理论上述轻量化设计方法需要系统识别、结构分析和承载能力评估理论的支撑方可实现。3.1系统识别理论系统识别理论的目的是从监测数据中识别桥梁运营时的状态参数。桥梁影响系数和车载信息可相互转换,若已知其中一个即可对另外一个进行识别。在进行系统标定时车载信息已知,可对影响系数进行识别;系统运营时影响系数已经过标定,可对车辆进行称重。具体识别理论如
25、下:3.1.1影响系数识别当桥梁的输入(车辆重量、位置和几何信息)和输出(挠度、应变时程等)数据均已知,可以对桥梁的影响系数进行识别19-20。桥梁在车辆激励下的静力响应实质上是多个车轴与影响系数乘积的延时叠加,从数学角度上可看作车载与影响系数函数的卷积,将该过程离散化,可得到车-桥静力相互作用的矩阵模型21,如下式所示:R=L(3)式中 R为桥梁静力响应向量;为影响系数向量;L为荷载信息矩阵,其表达式如下式所示:L=|A10A20A3Ak000A10A20A2Ak00000A10A20A2Akm(m+c-1)(4)式中 Ai为车辆第i轴的轴重;k为车轴总数;m为响应的总采样点数;c为车辆前轴
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