大跨度桥梁健康监测与施工控制
2015-12-29
序 言
近年来，随着国民经济的发展，越来越多的大跨度桥梁进入了人们的视野，桥梁健康监测一跃成为土木工程界研究的热点，而GPS定位技术的飞速发展正好给桥梁健康监测注入了新的血液。因此，基于GPS的大跨度桥梁健康监测系统应运而生，并且已经取得了一定的进展。随着监测技术的不断提高，监测数据的容量急剧上升，为了使监测数据及分析结果有更直观的输出形式，监测可视化也逐渐进入了桥梁健康监测系统的范畴。GPS定位、OpenGL可视化、桥梁结构分析及健康评估等都是很有必要进行系统研究的，对桥梁结构动态特性分析进行研究。然后从桥梁健康评估系统要实现的功能出发，总体上把握桥梁健康评估系统的构建流程，分析其功能组成，预警功能的实现等。同时，随着我国国力的不断增强和壮大，随着交通事业的飞速发展，桥梁跨度越来越大，施工的难度也就越来越大，桥梁施工控制是确保施工质量和安全的重要环节，有着重要的现实意义，因此，结合工作实践分析其时空控制方法，研究其施工期间的技术规范和方法是非常有必要的，我相信我国的桥梁施工技术水平会越来越发展壮大！
第一章 大跨度桥梁健康监测
桥梁健康监测是通过对于桥梁相关荷载、变形、环境、材料等情况的数据采集和分析，评价桥梁结构及其附属设施在正常环境与交通条件下的工作状态，评价耐久性，并作为桥梁的维护、加固、弃用的必要的依据。
1.1监测内容
（1）荷载监测。包括风荷载、地震荷载、雪荷载、水流相关荷载、锚室主缆索股拉力等。
（2）交通情况。车载、车速、车流量、行人流量。
（3）位移、转角、变形监测。监测桥梁各部位的静态位置和静态位移，如桥塔和锚碇的沉降和倾斜、主缆和加劲梁的线型变化、桥跨挠度、基础变位与沉降、伸缩缝变化等。
（4）应力监测。
（5）桥梁结构工作环境。如温度、湿度、风速、风向、水流特征等。（6）非结构部件及辅助设施的使用情况。
1.2监测设备
监测设备 ：
位移计 记录结构的静动力变形
倾角仪 记录结构的静动力转角
应变仪 记录桥梁构件的静动力应变和应力
测力计(力环、磁弹性仪、剪力销)
记录荷载
加速度计 记录结构各部位的反应加速度
风速仪 记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后
可得风功率谱
温度计 记录温度、温度差时程历史动态地秤
记录交通荷载流时程历史，连接数据处理系统后可得交通荷载谱GPS 记录关键点位移变化强震仪；记录地震作用。
摄像机 记录车流情况和交通事故
1.3监测系统
(1)传感系统：由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等组成；
(2)信号采集与处理系统：实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数并以一定的形式存储起来；
(3)通信系统：将处理过的数据传输到监控中心；
(4)监控中心（结构分析与健康评估中心）[1]：是利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤的位置和程度等．通过分析和判断，从而对结构的健康状态作出评估．若结构出现异常行为，则由监控中心发出预警信号，并对检测出来的损伤进行定性、定位和定量分析，同时提供维修建议。
1.4监测过程
1.5 监测方法
对于桥梁的变形监测的分析，常用的方法主要有回归分析法、时间序列分析法、频谱分析法、卡尔曼滤波法、有限元法、人工神经网络法、小波分析法和系统论方法等。
1.5.1 人工定期检测
以人工定期检测为特征的桥梁健康监测保障体系，其测试手段虽然较1971年美国国家桥梁监测标准(NBIS)颁布时有了长足的发展，但这类方法所固有的缺陷却依然存在：① 要预先知道损伤发生的大概位置；② 一些重要的结构内部及人员、设备不易到达处的损伤不易被外观检查所发现；③ 检查设备昂贵，结果6需专业人员的专门知识解释，带有很大主观性；④ 检查过程太长，不能应付突发事件后，迅速查明结构状态，为桥梁管理部门及时提供决策依据的要求。因此以人工定期检测作为桥梁健康状况的监测手段一般只用于中小跨度的非重要桥梁，在技术日益进步的今天，大跨度桥梁的监测慢慢形成了以传感器-模拟计算为主要核心的现代化监测系统，人工定期检测一般只用于非结构性部件的维护管理。
1.5.2 基于GPS的大跨度桥梁变形监测
GPS技术可以克服传统的桥梁结构监测方法的缺点，测定位移值的精度可以达到厘米级(RTK)甚至毫米级(相对静态)的精度． GPS可以实时地得到监测点的三维坐标，特别是可实现多点同步观测，受外界影响小，数据采集方便，可实现实时性、自动化管理．利用GPS RTK技术可以用于大型桥梁的三维位移实时动态测量，可以测得桥梁在风荷载、随机车辆荷载以及温度变化等因素影响下的位移和变形，并分析这些因素影响下的振动规律和频率特性．随着数据的不断积累，可以分析总结桥梁实际运行的规律，验证大桥的设计参数和设计理论．GPS变形监测网一般由一个或若干个独立观测环构成，以三角形和大地四边形组成的混合网的形式布设[2]。三维基准点应在河岸两侧均匀分布，设置在岩土结构稳定的地方(最好是直接嵌固在硬岩出露的天然岩石上)，必要时应设置钻孔式深埋标志．三维基准点应设置强制归心观测墩，为方便全站仪的辅助观测，强制归心观测墩应可强制归心联结反射棱镜、全站仪、GPS接收天线。桥梁变形监测的三维形变点由若干个形变观测点构成．形变观测点应根据桥型、承载特征等因素灵活设置．通常两端桥台的内侧、桥墩的顶端、桥面桥跨的中点、桥塔的顶端、桥塔的根部都是应该设置形变观测点的地方．形变观测点也应设置强制归心观测墩，观测墩上可强制归心联结反射棱镜、GPS接收天线。如果运用可视化技术可以直观地实时描述桥梁关键部位的位移情况、桥梁整体位移情况，可以用于大桥运营的安全性管理上，国内外的多项实例表明，GPS技术在大型桥梁变形监测中具有广阔的应用前景．
1.5.3基于振动的结构的健康监测(损伤诊断技术)
对于遭受不同程度破坏的结构，其自身的结构参数及其响应必然与结构健康时不同，因此可以运用这些变化来反推结构是否发生损伤，即可以将结构损伤检测看作是对结构本身参数及其响应的参数识别问题[3]。其理论核心为基于振动的损伤识别技术(其基本思想认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而引起所测结构动力特征或响应的改变，通过从监测数据中提取全桥不同部位动力参数信息或其衍生信息，并比对结构无损状态下的相应信息．来实现结构的健康检测与评估)。理论上，这一概念用于对桥梁结构损伤与老化的诊断。
1.5.4人工神经网络法
人工神经网络的方法是8O年代以来得到广泛关注的一种模拟人体神经机理来研究客观事物的新方法，其高效并行的信息处理的方式(学习／训练，计算／识别)将反问题正问题化，故特别适于对大型反问题(如结构的损伤诊断)的求解。香港理工大学以香港的青马、汀九和汲水门3座大跨桥为背景运用ANN方法对大跨桥的健康和安全状态的监测方法进行了探讨[4]。注意到当前大多数的基于ANN的损伤识别方法学习模式都为“指导”型如广泛使用的BP网络，对于大型复杂结构就存在一个问题即大数目的自由度数造成损伤的情况数(网络的训练样本)过大，不但给网络收敛带来困难且往往不可能穷尽所有情况。自组织神经网络为无“指导”的向量竞争算法，只需输入不需输出，网络会自动根据输入资料的规律和自身功能进行权重的调整，虽然目前对其训练机理还不能说完全清楚，但可预见是ANN 方法用于结构损伤诊断的一个重要发展方向。
1.5.5 应力监测
目前已经发展起来的索力监测技术主要有5种：压力表法、测力环法、频谱法、磁通量法以及光纤传感技术[7]。
1.6 工程应用
（1）丹麦对总长1 726 m的Fa roe跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测;
（2）墨西哥对总长1 543 m的Tamp ico斜拉桥进行了动力特性测试并比较了环境激振和传统振动试验的效果;
（3）英国在总长522 m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。
（4）中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段己安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。
（5）苏通大桥建立了健康监测评估以及在武汉阳逻公路大桥完成了光纤光栅桥
梁施工控制及健康监测系统;
（6）江苏省境内的润扬长江大桥的结构健康监测系统除了对大桥的车流量、车
辆荷载状况(车载、车速及车流量) 、桥址处的气候环境(风速、风向) 、地动脉、索塔沉降等进行检测以外，还对南汊悬索桥的主跨纵向、横向、竖向位移、载面的压力分布、温度等，锚室主缆索股拉力、索塔的振动特性，北汊斜拉桥的斜拉索拉力、斜拉索振动、主梁线型、索塔的振动等特性进行了连续监测。[5]
2．大跨度桥梁工程控制
施工控制是随施工过程中的预测、实测、评估及反馈、再预测的循环控制逐渐实现的，它是将实用的结构现场测试技术和计算分析技术应用于施工，并结合施工过程形成结构评估、监测及反馈控制的安全及质量技术控制系统。其目的是通过监控监测及计算预测、评估使施工过程处于安全、可控状态，成桥后桥梁结构内力及线形满足设计目标要求；同时，通过监控计算及详细分析提高施工精度，优化施工顺序，保证施工顺利进行。因此，施工控制既是桥梁施工质量的保证措施，又是施工过程安全的保证措施。
2.1施工控制任务和工作内容
(1)几何(变形)控制。
桥梁结构在施工过程中产生变形，且变形受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置偏离预期目标，使桥梁难以顺利合龙，或者成桥线形与设计不符。施工控制过程中以允许误差来进行控制，一旦超过允许范围要分析原因，进行后续调整。
(2)应力控制。
桥梁施工过程、成桥状态的受力情况是否与设计相符是施工控制要明确的重要问题。一般通过关键断面的应力监测，同计算结果进行校核。主要控制预应力、索力、顶推力等，确保结构安全。在施工过程中，一些大型临时设施(支架、挂篮、缆索吊系统等)对桥梁施工安全有直接影响，也要引起高度重视。
(3)稳定控制。
桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上不少桥梁在施工过程中是由于失稳而导致破坏的。桥梁施工过程中不仅要严格控制变形和应力，还要严格控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。目前主要通过稳定分析计算，得到稳定安全系数，并结合结构的应力、变形情况来综合评定、控制其稳定性[6]。
(4)影响性因素分析。
对于大跨度桥梁影响监控测试结果的因素较多(如温度等)，为及时、有效、准确地反馈桥梁控制性参数，必须对各关键性因素进行影响性分析，以保证测试结果的有效性。
2.2 影响桥梁施工控制的因素
影响桥梁施工控制的因素有：结构参数，包括结构截面尺寸、材料容重、材料弹性模量、材料热胀系数、施工荷载、预应力和索力等；施工工艺；施工监测；结构计算模型；温度变化；收缩、徐变；施工管理；监控组织体系。特别是结构参数、温度变化、收缩徐变等影响因素，一般需要在前期施工控制计算时进行敏感性分析，确定对桥梁施工结构行为影响较大的因素，以便于对计算模型、参数的修正调整。
2.3施工控制中方法
（1） 开环控制。
即单向控制，在各构件中安装误差影响不大时，这种方法是简单可行的。因此一般只用于中小桥，而不用于大跨度桥梁。10
（2） 反馈控制。
大跨度桥梁结构复杂，误差会在施工阶段不断积累，最终导致结构线型和内力出现较大偏离。因此需要在误差出现时进行反馈计算，这就形成了一个闭环控制系统。
（3） 自适应控制[8]
对某一工况，以前的累计误差已经被调整掉，由于计算模型中参数差距的存在，以后的施工中仍然会出现新的误差，因此又需要新一轮的调整，这样将大大增加施工的工序。这时就需要采取自适应控制方法
（4） 综合方法。
大跨度桥梁往往采用最优控制、模糊控制、预测控制、专家系统控制等方法进行综合控制，以此达到对于工况的控制
2.4具体桥梁类型的工程控制
2.4.1 大跨度悬索桥
(1)悬索桥是由刚度相差很大的构件(索、吊杆、梁)组成的高次超静定结构，与其他形式的桥相比，具有显著可挠的特点。在整个施工过程中，悬索桥结构的几何形状变化较大。
(2)悬索桥结构几何形状对温度变化非常敏感，温度变化将引起悬索桥结构几何
形状的较大改变。
(3)施工各阶段中消除误差比较困难。在悬索桥的施工过程中，主缆一旦施工完毕，无法调整其长度，而且吊杆的长度也无法像斜拉桥施工中对斜拉索的重复张拉那样进行调整，仅可通过垫片微幅调整[9]。
2.4.2大跨度连续刚构桥
(1)施工一个梁段称为一个阶段，为了改善施工过程中的挂篮和混凝土主梁的受力，每阶段分成4个工况：挂篮前移并定位立模；主梁混凝土浇筑一半；浇注全部混凝土；预应力张拉。
(2) 主梁挠度观测
测点布置：每一梁段悬臂端截面梁顶设立三个标高观测点，同时也作为坐标观测点。测点须用短钢筋预埋设置并用红漆标明编号。当前现浇梁段悬臂端截面同时设立三个标高观测点，作为当前梁段控制截面梁底标高用，并给出对应的测点的高程关系。其中上、下游观测点作为长期监控观测点，同时应注意岸上基准点的设置和保护。[10]
测试方法：用精密水准仪测量测点标高。根据理论计算，确定复测频率为3个梁段一次。
(3)墩顶水平变位及墩身垂直度测量
测点布置：主墩顶、底上、下游各设1～2个测点，测点位置选在墩顶、底便于观测的可靠位置处。墩顶、底观测点应测出相对坐标。
测试方法：用全站仪测量。
(4)截面钢筋应力或混凝土应变观测。
2.4.3大跨度斜拉桥[11]
斜拉桥施工控制首先是根据桥的构形、受力及结构特点借助有限单元法和优化理论确定成桥的理想状态，然后用倒（防屏蔽）退法反算出每一节段主梁的理论标高和斜拉索的初始索力．再根据实际施工情况采用前进分析法计算出施工过程每一节段的主梁标高和斜拉索索力，同时利用各种仪器设备实测出各节段主梁标高、内力和斜拉索索力，受各种因素的影响，这三者之间一般不会闭合．如何调整这三组数据使它们趋于一致，以达到成桥状态在设计允许范围内就是施工控制的任务与目标。
3.总结与展望
桥梁建造水平是一个国家土木工程能力与建造水平的重要指标，而大跨度桥梁的建造、监测、控制、管理技术是桥梁建造水平的重要指标。目前，大跨度桥梁在我国得到了越来越多的应用，相应的技术日趋成熟。相信随着技术的进步和工程实践经验的增加，大跨度桥梁的健康监测与工程控制将达到更高的水平。
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