钱江四桥健康监测系统中的关键性问题及损伤识别方法研究.pdfVIP

92．钱江四桥健康监测系统中的关键性问题 及损伤识别方法研究 郭 健 陈 勇 孙炳楠 楼文娟 (浙江大学土木工程系) 摘 要：钱江四桥健康监测系统中安装了鼻E监测风荷载、吊杆拉力、位移、温度、应变及加速度 等各类结构受力状态的传感器。大量的传感器测试数据通过高性能的分布式网络通讯系统传递到 监测中心．来监测结构状态。针对钱江四桥健康监测系统的特点．介绍了该系统中所采用的关键 硬件技术和软分析技术。如用来测试索杆拉力的磁弹仪和小波分析在结构健康监测及损伤识别中 的应用。针对小波分析技术在信号处理和数据分析领域的优势。举例说明了小波分析在桥梁健康 监测中的应用．提出了基于小波分析的损伤识别四阶段方法。 关键词：桥梁工程钱江四桥 健康监测 损伤识别 小波分析 四阶段方法 1 前言 钱江四桥是一座城市道路与轨道交通相结合的跨江桥梁，是一座集下承式、中承式及上承 式三种不同结构体系于一体的多跨拱桥，如图1所示。该桥全长1376m，两个主孔跨径为 190m，其结构形式为双层钢管混凝土拱组合结构，上层桥面为6车道的公路快车道，下层桥面 为轻轨交通和公交专用道。钱江四桥桥型新颖、结构独特，桥梁总规模较大，其设计及结构分 析相对来说更为复杂，可借鉴的资料也很少。 钱江四桥地处台风多发地带和常年受涌潮冲击的钱塘江口，气候潮湿，桥梁建成通车后不 但受到车辆荷载的作用，而且还会受到环境荷载(如风载、涌潮、地震、温度荷载等)的作用以及 基金项目：中国博士后科学基金资助项目，2005037821 671 材料老化、疲劳等因素的影响，结构的健康状况必将逐渐发生变化。因此钱江四桥在运营过程 中的安全性和可靠性备受人们的关注。根据钱江四桥的结构特点及其重要性，我们课题组研 发并安装了钱江四桥实时健康监测系统m21，以通过实时健康监测系统所监测到的数据和信 息来进行结构损伤识别、分析结构的健康状况、评估桥梁承受静、动荷载的能力以及结构的安 全可靠性，为桥梁的运营、管理、维护提供科学的决策依据。 图1钱江四桥 2钱江四桥健康监测系统 2．1系统构成 一般意义上的桥梁健康监测系统是集结构监测、系统识别及结构评估于一体的综合监测 系统，其内容包括荷载监测、几何变位监测、结构响应监测等。从系统构成来看，桥梁健康监测 系统一般可划分为：(I)数据采集子系统，主要包括各类信号采集、存储和传送的硬件系统； (2)数据信号处理子系统，主要包括各类数字信号的处理，如A／D转换及数字滤波去噪等； (3)系统识别子系统，通过计算机模拟仿真计算，结合有限元模型分析，识别出桥梁结构系统的 静、动力特性参数；(4)损伤识别子系统，即通过一定的分析技术，对已获得的数据进行处理，与 桥梁结构系统特征联合，应用各种有效的手段识别结构损伤，完成损伤预警、损伤定位、损伤定 量；(5)桥梁结构状态评估子系统，把损伤识别的结果与专家经验结合，对桥梁的健康状态作出 评价，提出结构健康维护策对；(6)数据管理子系统，完成实时产生的大量现场数据的存储、调 用和管理[3J。 钱江四桥实时健康监测系统主要由传感系统、数据采集与预处理系统、远程通讯系统、数 据库管理系统、桥梁健康信息显示系统、安全预警系统构成。钱江四桥实时健康监测系统所涉 及到的数据采集仪器共有5种： (1)用于采集桥梁位移情况的全站仪； (2)用于采集拱脚振弦式应变计数据的SmartData2000； (3)用于采集环境温度、加速度等信号的NI动态数据采集仪； (4)用于采集风速、风向的M8100超声风速仪； (5)用于采集吊杆及预应力索张力的磁弹仪。 对各种仪器进行系统集成，采用了星形局域网和分布式监测方案相结合的系统方案。在 监控中心配置了主服务器，来管理两个次服务器。其中一个次服务器管理全站仪、磁弹仪及 SmartData2000，另一台次服务器管理动态数据采集仪和风速仪。系统集成的总体方案见图 2。其中网内通信采用TCP／IP协议，网外的分布式监测中各台仪器与次服务器的通信采用 485总线技术[2]。 672