蔣國(guó)富，郭 龍，王龍林，郝天之

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測(cè)中心，河北 石家莊 050091)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，橋梁建設(shè)規(guī)模獲得前所未有的發(fā)展，截至2017年底，我國(guó)已建成的橋梁數(shù)量超過(guò)83萬(wàn)座[1]。但一些橋梁由于設(shè)計(jì)和施工存在缺陷，管理和養(yǎng)護(hù)不合理等，以及超載、酸雨、地震等人為和自然因素的影響，致使橋梁出現(xiàn)各種損傷，甚至嚴(yán)重威脅到橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。近年來(lái)，我國(guó)橋梁坍塌事故頻發(fā)，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。由于橋梁坍塌前無(wú)明顯征兆，災(zāi)害通常是猝不及防的，因此如何提前識(shí)別橋梁損傷、預(yù)判橋梁危險(xiǎn)是亟需解決的問(wèn)題。橋梁結(jié)構(gòu)的損傷通常分兩類，即：突發(fā)性損傷和累積性損傷。為識(shí)別和預(yù)判橋梁健康狀況，1997年美國(guó)的Housner教授提出了健康監(jiān)測(cè)的定義，即：通過(guò)實(shí)時(shí)、連續(xù)的無(wú)損傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)收集橋梁在各種荷載和荷載激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對(duì)此進(jìn)行分析以識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，判斷損傷位置，確定損傷程度，最后對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況做出評(píng)估[2]。健康監(jiān)測(cè)能夠在突發(fā)性損傷發(fā)生時(shí)及時(shí)做出判斷和警報(bào)，以便采取處理措施，防止發(fā)生進(jìn)一步的破壞和引發(fā)其它事故；同時(shí)能夠定期對(duì)累積損傷的狀態(tài)做出描述，預(yù)判損傷發(fā)展趨勢(shì)，以便根據(jù)情況采取相應(yīng)措施，避免發(fā)生更大的損失和人員傷亡。國(guó)外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)80年代[3]。我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究比國(guó)外晚約十年。21世紀(jì)后，我國(guó)大跨徑懸索橋、斜拉橋開(kāi)始成規(guī)模建設(shè)，部分新建橋梁在建造時(shí)同步設(shè)計(jì)和建立了相應(yīng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，在新建橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的設(shè)計(jì)、實(shí)施和研究經(jīng)驗(yàn)。

屢次在役橋梁安全事故表明，在橋梁結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)需要實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)性能和控制結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[4]。由于傳統(tǒng)的經(jīng)常性和定期檢查方法對(duì)橋梁檢查具有時(shí)間間斷性，不能很好地對(duì)結(jié)構(gòu)突發(fā)性損傷作出實(shí)時(shí)評(píng)估和對(duì)累積損傷作出及時(shí)的預(yù)判，設(shè)計(jì)安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得非常必要。林著惠[5]以建成于1971年的烏龍江大橋?yàn)楸O(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)在役大型T構(gòu)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；2015年蘇交科集團(tuán)成立了“在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，專門(mén)針對(duì)在役大跨徑橋梁安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究，為大橋的安全服役提供實(shí)時(shí)預(yù)警、健康與損傷狀態(tài)評(píng)估；橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)作為橋梁工程領(lǐng)域新興的分支，已逐漸成為一個(gè)熱門(mén)研究方向[6]，但在役部分斜拉橋的健康監(jiān)測(cè)案例很少，且能查閱到的研究資料大多較為抽象，為更加形象和具體地介紹在役部分斜拉橋的健康監(jiān)測(cè)，本文以廣東省某座特大型部分斜拉橋?yàn)橐劳?，?duì)健康監(jiān)測(cè)智慧云系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行，并對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 工程背景

某橋上部結(jié)構(gòu)為(108+208+108)m雙幅部分斜拉橋，半幅橋?qū)?0.5 m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室直腹斷面，橋面鋪裝為水泥混凝土。結(jié)構(gòu)體系為墩塔梁固結(jié)體系，橋塔采用鋼筋混凝土“Ⅲ”型塔，橋面以上塔高28 m，144根斜拉索。主橋采用實(shí)體橋墩，過(guò)渡墩采用雙柱式墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)(圖1)。

自2017年至2018年連續(xù)兩年對(duì)大橋進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)橋面存在大量縱向、橫向裂縫和坑洞，斜拉索系統(tǒng)護(hù)套破損、永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器螺栓松動(dòng)、缺失，箱梁內(nèi)部滲水泛堿、混凝土露筋銹蝕、縱向裂縫，索塔露筋銹蝕和裂縫等病害。典型病害見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 阻尼器螺栓缺失Fig.2 Missing of damper bolt

圖3 箱梁內(nèi)部滲水泛堿Fig. 3 Seepage and alkali in box girder

為該橋在運(yùn)營(yíng)階段建立一套合理的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)橋梁發(fā)生損傷時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便于橋梁養(yǎng)護(hù)部門(mén)能夠有針對(duì)性地及時(shí)進(jìn)行維修和處理，而不是僅單純依靠外觀檢查的簡(jiǎn)易方法，得到粗糙的結(jié)果進(jìn)行不切要害的養(yǎng)護(hù)。因此，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)形式、跨徑及監(jiān)測(cè)信息的重要程度，為該橋設(shè)計(jì)了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 斜拉橋立面圖和近況照片(單位：cm)Fig.1 Elevation and recent photo of cable-stayed bridge

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)建主要包括監(jiān)測(cè)內(nèi)容、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、智慧監(jiān)測(cè)云網(wǎng)平臺(tái)(系統(tǒng)集成)。該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)建示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure chart of the monitoring system

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要解決監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定，參數(shù)的選擇是否正確關(guān)系到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正確的評(píng)估，即關(guān)系到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能正常發(fā)揮其作用[7]。針對(duì)該斜拉橋結(jié)構(gòu)體系特征，本次健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為結(jié)構(gòu)響應(yīng)、環(huán)境因素和動(dòng)力特性。其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)包括主梁應(yīng)變、橋塔應(yīng)變、主梁撓度和縱飄、裂縫寬度及斜拉索索力；環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向；動(dòng)力特性為橋梁模態(tài)分析。

2.2 傳感器類型

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能利用傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，傳感器測(cè)點(diǎn)布置對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的效率和功能都會(huì)產(chǎn)生直接影響[8]。傳感器的選擇主要考慮精度滿足要求，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)耐久性好、不易損壞，性能先進(jìn)可靠，信號(hào)采集穩(wěn)定，易于維修和更換。與監(jiān)測(cè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的傳感器見(jiàn)表1，部分傳感器見(jiàn)圖5—圖8。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和傳感器

圖5 靜力水準(zhǔn)儀Fig.5 Static level

圖6 智能數(shù)碼測(cè)縫計(jì)Fig. 6 Intelligent digital seam meter

圖7 索力監(jiān)測(cè)傳感器Fig.7 Monitoring sensor of cable force

圖8 加速度拾振器Fig. 8 Acceleration pickup

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為現(xiàn)場(chǎng)傳輸和遠(yuǎn)程傳輸[9]?，F(xiàn)場(chǎng)傳輸是指?jìng)鞲衅鞯綌?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀的有線傳輸，遠(yuǎn)程傳輸是指數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀至數(shù)據(jù)中心的無(wú)線傳輸。依據(jù)橋址處環(huán)境條件，該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)傳輸與遠(yuǎn)程傳輸相結(jié)合的方式,見(jiàn)圖9。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸方式結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure chart of data transmission mode

其中無(wú)線傳輸基于移動(dòng)通信基站，每日數(shù)據(jù)采集量G與DTU每月最大數(shù)據(jù)傳輸極限值相關(guān)，本系統(tǒng)設(shè)定每日數(shù)據(jù)采集量如下：

(1)對(duì)于靜態(tài)數(shù)據(jù)

G=m×h×j×l×p

式中：G為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小(單位：kB)；m為傳感器數(shù)量(單位：個(gè))；h為每日采集時(shí)間(單位：h)；j為每小時(shí)采集次數(shù)(單位：次)；l為每次采集條數(shù)(單位：條)；p為每條數(shù)據(jù)大小(單位：kB)。

主梁和橋塔應(yīng)力：G1=6 912 kB；主梁撓度：G2=2 160 kB；主梁縱飄：G3=1 728 kB；主梁裂縫寬度:G4=1 080 kB；風(fēng)速風(fēng)向:G5=216 kB；溫度濕度:G6=1 080 kB。

靜態(tài)數(shù)據(jù)每日采集數(shù)據(jù)總量：

(2)對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

G=m×f×h×p

式中：f為每秒數(shù)據(jù)條數(shù)(單位：條)。

主梁振動(dòng)：G7=7 372 800 kB；斜拉索索力：G8=13 271 040 kB。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，每日動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量非常大。如果全部數(shù)據(jù)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲(chǔ)起來(lái)，不但會(huì)給軟件的通信過(guò)程帶來(lái)壓力，也會(huì)嚴(yán)重消耗工控機(jī)和服務(wù)器的硬盤(pán)空間，還會(huì)造成WEB端的數(shù)據(jù)刷新出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象[10]。為提高儲(chǔ)存空間利用率，連續(xù)采樣512個(gè)數(shù)據(jù)，記為一組數(shù)據(jù)，標(biāo)記一個(gè)起始時(shí)間，一個(gè)結(jié)束時(shí)間，一個(gè)頻率的算法。壓縮后得到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量：G7=7.3 MB；G8=13.2 MB。

依據(jù)數(shù)據(jù)日傳輸總量、監(jiān)測(cè)儀接口及監(jiān)測(cè)因素，本次系統(tǒng)共采用7個(gè)DTU模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

2.4 智慧監(jiān)測(cè)云網(wǎng)

智慧監(jiān)測(cè)云網(wǎng)平臺(tái)是根據(jù)該橋長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的需求基于B/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)的，包含PC端和移動(dòng)APP端。云網(wǎng)平臺(tái)能夠?qū)⒋髽驊?yīng)力應(yīng)變、撓度、模態(tài)、溫濕度、裂縫等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和處理，是大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。該平臺(tái)主要功能見(jiàn)圖10。

圖10 系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Functional structure of system platform

(1)項(xiàng)目信息：存儲(chǔ)橋梁信息，跟進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，記錄關(guān)鍵信息。

(2)設(shè)備管理：設(shè)置傳感器采樣周期，系統(tǒng)用紅色離線和綠色在線判斷傳感器在線情況。

(3)測(cè)點(diǎn)信息：對(duì)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)因子等進(jìn)行管理，依據(jù)規(guī)范和理論計(jì)算結(jié)果設(shè)置兩級(jí)安全預(yù)警值。

(4)監(jiān)控信息：可實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字計(jì)算分析對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步圖像處理。

(5)分析評(píng)估：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，生成監(jiān)測(cè)成果報(bào)告。

3 在役橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

依據(jù)橋梁與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工是否同步進(jìn)行，分為新建和在役橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與新建橋梁相比，服役多年后的橋梁力學(xué)行為特性(線形、索力等)相較于初始設(shè)計(jì)和成橋時(shí)均已發(fā)生變化。因此，需要重新構(gòu)建橋梁仿真模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算以健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容參數(shù)為目標(biāo)，主要以結(jié)構(gòu)的剛度、位移、應(yīng)力進(jìn)行分析[11]，必要時(shí)還須考慮到結(jié)構(gòu)存在的損傷對(duì)有限元模型、分析方法和結(jié)果的影響。同時(shí)在役橋梁由于橋梁各結(jié)構(gòu)和構(gòu)件已全部施工完成，傳感器和線路只能布置在結(jié)構(gòu)表面，必須采取有效、有針對(duì)性的保護(hù)措施。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能之一是在結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)性損傷時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。不同于新建橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別所有荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在役橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅可識(shí)別可變荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。因此，該橋健康監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值的設(shè)置將依據(jù)可變作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行設(shè)置。

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本次采用大型計(jì)算軟件MIDAS Civil建立大橋空間有限元計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力和靜力計(jì)算分析，并輔以FEA三維實(shí)體模型進(jìn)行仿真計(jì)算校核，見(jiàn)圖11和圖12。其中Civil模型中斜拉索采用桁架單元模擬，箱梁、橋塔橋墩等構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M，主梁模擬方式采用“魚(yú)骨”型，即將實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的主梁處理為順橋向的單根主梁和橫橋向的魚(yú)骨，計(jì)算分析橋梁整體受力關(guān)鍵截面。確定健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)截面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依據(jù)有限元模型計(jì)算分析，總體布置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖13。

圖11 Civil桿系模型Fig.11 Civil member model

圖12 FEA實(shí)體模型Fig. 12 FEA solid model

圖13 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體布置圖Fig.13 General layout of health monitoring system

3.2 預(yù)警設(shè)置

該橋于2015年建成通車(chē)，屬于在役橋梁，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)變、位移等參數(shù)預(yù)警值設(shè)置依據(jù)可變荷載作用下理論計(jì)算值和規(guī)范進(jìn)行設(shè)置。可變作用包含整體溫變、溫度梯度、順向和橫向風(fēng)力、車(chē)輛荷載。安全預(yù)警閾值需要分級(jí)[12]設(shè)置進(jìn)行預(yù)警，本橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)黃色和紅色兩級(jí)。黃色預(yù)警：提醒管養(yǎng)單位對(duì)環(huán)境、荷載、結(jié)構(gòu)整體或局部響應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注，并進(jìn)行跟蹤觀察；紅色預(yù)警：警示管養(yǎng)單位應(yīng)對(duì)環(huán)境、荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)連續(xù)密切關(guān)注，查明報(bào)警原因，采取適當(dāng)檢查、應(yīng)急管理措施以確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全，并應(yīng)及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估[13]。當(dāng)監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)超出相應(yīng)閾值時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)橋梁安全預(yù)警[14]見(jiàn)圖14。

圖14 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警組成結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Early warning structure of health monitoring system

3.3 傳感器與線路保護(hù)

該橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用JMZX-4SX四芯水工電纜接通電源，JMZX-4PX四芯屏蔽線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，BGK-3475儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)靜力水準(zhǔn)儀液體。為保證電源和信號(hào)穩(wěn)定傳輸及安全，采用金屬橋架對(duì)電纜線和信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)。一年的運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

3.3.1 電源斷電

在臺(tái)風(fēng)暴雨等災(zāi)害天氣狀況下，橋上供電系統(tǒng)易發(fā)生故障，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)斷電停止運(yùn)行，而此時(shí)恰是需要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵時(shí)刻。解決方法為換裝可自動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)，若要保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，需滿足以下計(jì)算公式：

n≤N

式中：n為系統(tǒng)發(fā)生斷電次數(shù)；N為開(kāi)關(guān)能自動(dòng)閉合的次數(shù)。

3.3.2 橋架切割線纜

橋梁在可變作用下，跨中附近會(huì)發(fā)生反復(fù)豎向起伏振動(dòng)，橋架端頭銜接處的線纜會(huì)被反復(fù)切割磨損，造成電源供電斷路或信號(hào)傳輸中斷，見(jiàn)圖15—圖17。

圖15 線纜表面磨損Fig.15 Cable surface wear

圖16 磨損至金屬絲Fig.16 Wire wear

圖17 緩沖裝置Fig. 17 Buffer device

解決方法：(1)在橋架接頭或拐角處設(shè)置緩沖裝置，防止信號(hào)線直接接觸金屬橋架的切割磨損，見(jiàn)圖17；(2)安裝線纜時(shí)，使信號(hào)線保持松弛狀態(tài)，避免溫變作用下線纜發(fā)生熱脹冷縮時(shí)張緊的線纜直接承受垂直線纜軸向方向的更大的摩擦力；(3)將接頭位置處理平滑，避免尖銳棱角接觸線纜。

3.3.3 儲(chǔ)液罐滲液

儲(chǔ)液罐邊緣發(fā)生滲液，當(dāng)液面到達(dá)臨界高度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液管內(nèi)產(chǎn)生氣泡，影響采集精度和造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。對(duì)儲(chǔ)液罐進(jìn)行膠結(jié)處理，試驗(yàn)24 h不再發(fā)生滲液后投入使用。見(jiàn)圖18和圖19。

圖18 儲(chǔ)液罐邊緣滲液Fig.18 Leakage at the edge of the reservoir

圖19 液管中產(chǎn)生氣泡Fig. 19 Bubbles in the liquid pipe

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

自動(dòng)初步處理和人工專業(yè)分析是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的兩步數(shù)據(jù)處理方法[15]。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，智慧監(jiān)測(cè)云網(wǎng)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)處理分析每天采集至數(shù)據(jù)中心的振動(dòng)、撓度、索力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，后續(xù)數(shù)據(jù)工程師可根據(jù)需求對(duì)典型數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析。以下列舉部分監(jiān)測(cè)結(jié)果：

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是指對(duì)橋梁動(dòng)力特性進(jìn)行分析，確定橋梁的各階固有頻率、阻尼比和振型。動(dòng)力特性體現(xiàn)了橋梁整體剛度性能，測(cè)得動(dòng)力特性，可獲得在役橋梁現(xiàn)階段的“指紋”，用于橋梁損傷識(shí)別[5]。

結(jié)構(gòu)模態(tài)控制方程：

w2mα=kα

(1)

式中：α為結(jié)構(gòu)振型；w為振動(dòng)頻率；m為質(zhì)量矩陣；k為剛度系數(shù)。

通過(guò)蘭佐斯法求解結(jié)構(gòu)模態(tài)控制方程的特征值和相應(yīng)的特征向量(wn，αn，n=1,2…，m)，即為結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)頻率和振型。

對(duì)于式(1)中剛度系數(shù)：

k=ke+kg

(2)

式中：ke—彈性剛度；kg—幾何剛度。

ke主要取決于結(jié)構(gòu)材料、約束和體系等，kg主要取決于結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力。對(duì)于本橋，進(jìn)行模態(tài)理論計(jì)算分析時(shí)，需考慮斜拉索力、預(yù)應(yīng)力、自重、二期恒載等產(chǎn)生的軸向壓力對(duì)結(jié)構(gòu)幾何剛度的影響。

在環(huán)境激勵(lì)作用下，振動(dòng)模態(tài)理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)振型對(duì)比見(jiàn)表3，總體可見(jiàn)Civil和FEA計(jì)算值均小于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明橋梁的整體剛度性能較好。實(shí)體模型計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果更加吻合，均大于線性桿系模型計(jì)算結(jié)果。

表2 前八階模態(tài)理論計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表3 前八階理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)振型對(duì)比

4.2 撓度分析

壓差式靜力水準(zhǔn)儀的工作原理是，利用液壓敏感單元測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)液器內(nèi)壓強(qiáng)變化值相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的變化，計(jì)算出各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化進(jìn)而計(jì)算出撓度變化值。以右幅測(cè)點(diǎn)為例，監(jiān)測(cè)截面和測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)位置和測(cè)點(diǎn)編號(hào)

對(duì)于初始狀態(tài)(t=0)液面平衡計(jì)算公式：

Z0i+h0i=Z00+h00(i=1,2,3,4)

對(duì)于任意時(shí)刻t時(shí)，主梁發(fā)生撓度變化時(shí)，各測(cè)點(diǎn)高程變化為ΔZt1、ΔZt2、ΔZt3、ΔZt4、ΔZt0，各測(cè)點(diǎn)液面高度變化Δht1、Δht2、Δht3、Δht4、Δht0，此時(shí)液面平衡計(jì)算公式：

ΔZti+Δhti+Zti+hti=ΔZt0+Δht0+Zt0+ht0

對(duì)于任意時(shí)刻t，基準(zhǔn)點(diǎn)ΔZt0=0，可求得：

ΔZti=Δht0-Δhti=(Δht0-h00)-

(hti-h0i)(i=1,2,3,4)

根據(jù)上述計(jì)算原理，YSW3測(cè)點(diǎn)撓度時(shí)程曲線見(jiàn)圖20(圖中2019年12月12日實(shí)測(cè)撓度超過(guò)預(yù)警線為系統(tǒng)維護(hù)時(shí)段造成)。圖中曲線為實(shí)測(cè)撓度值，箭頭直線為預(yù)警值，主梁撓度在可變荷載作用下會(huì)發(fā)生上撓與下?lián)系慕惶孀兓?，且?shù)值大小均未超過(guò)黃色預(yù)警線。

圖20 YSW3測(cè)點(diǎn)撓度時(shí)程曲線圖Fig.20 Deflection time history curve of YSW3 measuring point

5 結(jié)論

1)對(duì)2019—2020年一年來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，其中模態(tài)分析，識(shí)別結(jié)果與Civil理論計(jì)算結(jié)果比值為1.02～1.26，與FEA理論計(jì)結(jié)果算比值為1.00～1.08；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)撓度實(shí)測(cè)值依預(yù)設(shè)程序自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果未超過(guò)紅色預(yù)警值。

2)智慧云集成系統(tǒng)采用基于B/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)的智慧監(jiān)測(cè)云網(wǎng)平臺(tái)，只需要網(wǎng)絡(luò)和瀏覽器便可進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，減輕維護(hù)升級(jí)成本，共享性強(qiáng)，是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的發(fā)展方向。