桥梁自动化安全监测概况

        

香港九龙王资料大全 www.sjyida.com         一、监测系统概述
        20世纪桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的发展和大跨度索支承桥梁的建造以及对超大跨度桥梁的探索,而且反映于人们对桥梁结构实施智能控制和智能监测的设想与努力。近20年来桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大距度桥梁的发展;同时,随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注,桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息,并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题,因此,桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与研究扩充了桥梁安全监测的内涵。
        桥梁安全监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。为此,监测系统对以下几个方面进行监测:
        ?桥梁重要非结构构件(加支座)和附属设施(如振动控制元件)的工作状态;
        ?结构构件耐久性;
        ?大桥所处环境条件等等。
        与传统的检测技术不同,大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力,而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。
        然而,桥梁结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于大型桥梁(尤其是斜拉桥、悬索桥)的力学和结构特点以及所处的特定环境,在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。大跨度索交承桥梁的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。然而,结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型,并且分析时常以很多假定条件为前提。在进行风洞或振动台试验时对大桥的风环境和地面运动的模拟也可能与真实桥位的环境不全相符。因此,通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定具有重要的意义。事实上,国外一些重要桥梁在建立健康监测系统时都强调利用监测信息验证结构的设计。
       桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于,结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进;并且,对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟设计”的基础。
        还应看到,桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思,它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。尽管桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的出现不断推动着桥梁的发展,但是,大跨度桥梁的设计中还存在很多未知和假定,超大跨度桥梁的设计也有许多问题需要研究。同时,桥梁结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场试验与调查。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充,而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。另外,桥梁振动控制与健康评估技术的开发与应用性也需要现场试验与调查。
        综上所述,大型桥梁安全监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术,而是被赋予了结构监控与评估 、设计验证和研究与发展三方面的意义。

        二、 GNSS应用概况
        由于GNSS定位技术具有速度快﹑精度高﹑全天侯﹑费用省﹑自动化程度高等优点,因而近年来在我国也已迅速得以推广。据统计目前我国引进的测量型GNSS接收机的数量已超过数千台。GNSS定位这一高新技已在大地测量﹑精密工程测量﹑地壳形变监测﹑石油勘探﹑资源调查﹑城市测量等领域内成功地得以应用和普及,有力地推动了上述行业的技术进步。
        GNSS精密定位基本上都是以毫米级精度(在数公里的短边上)和厘米级精度(在数百公里或数千公里的长边上)为目标的。早在1984年美国已在斯坦福粒子加速器的工程测量中采用了GNSS定位技术,平差后制点的平面位置精度为1一2mm,高程精度为2一3mm。90年代初,我国在控制面积和平均边长都要大得多的大港油田地面垂直形变监测网中也采用了GNSS定位技术,大地高的测定精度为3.4mm。上述精度可以认为是这一时期利用GNSS定位技术进行精密工程测量和大地测量时所能达到的典型精度。
        1998年3月,武汉大学(原武汉测绘科技大学)在清江隔河岩水利枢纽成功地建成了大坝外观变形与高边坡GNSS自动化安全监测系统;当年清江流域普降暴雨,长江的防汛形势也极为严峻,为了减轻长江防汛的压力,防汛部门将隔河岩的蓄水位提高到204m,超正常蓄水位4m;防汛部门能出如此英明决策,是由于利用了高能的GNSS系统,对大坝进行连续观测与数据的实时动态处理,及时地掌握了大坝的运行状 态。隔河岩建成的GNSS系统定位精度在水平方向为0.5mm,垂直方向为1mm,这一精度水平已在国内居重要地位。事实证明GNSS监测技术在隔河岩大坝已取得成功,并在1998年长江全流域特大洪水期间经受了 考验,发挥了重要作用。

        三、GNSS监测系统优点
       GNSS(全球卫星定位系统)自八十年代中期投入民用后,已广泛地在导航、定位等各领域应用,尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度的三角、三边、边角等方法,并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。
        随着国民经济的发展,越来越多的特大型桥梁进入了人们的视野,桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面展,与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长,结构型式不断变化。这些交通基础设施在人们的经济 生活中发挥着巨大的作用。为确保特大型桥梁在使用寿命期的安全运营,必须对这些桥梁的运行状况进行检测。监测桥梁形变可以有效反映桥梁结构的工作状况,因此, 以形变监测提供桥梁的健康状况及预警, 就是一项必须长期进行和不断提高的工作, 然而, 采用常规方法进行大型桥梁的形变监测,存在诸多限制和不便。
        如对全站仪而言,存在以下缺点:
        ?各测点不同步;
        ?大变形比较难以测量;
        ?实时性较差;
        ?观测条件受天气条件影响较大,不能满足恶劣天气情况下的监测要求;
        ?测站到辅助目标的距离有限。
        ?对位移传感器而言,缺点是:
        ?对于难以接近的点无法测量;
        ?对横向位移测量有困难;
        ?受大气环境条件的影响。
        对加速度传感器而言, 缺点是:
        ?对于低频静态位移鉴别效果差
        ?为获得位移必须对它进行两次积分,精度不高。
        除上述不足外, 各种方法对桥梁的扭角(以大桥中心线为基准, 左右摆动的角度) 测量也力不从心。相比之下,利用全球卫星定位系统(Global Position System,GNSS)进行形变监测具有显著的优势,其优点可概括如下:
        ?不受气候的影响,可实现全天候、不间断的三维高精度测量;
        ?量程大;
        ?参考站和监测点距离几乎不受限制;
        ?延迟短、实时性强,且各测点可实现同步测量。
        目前,随着GNSS技术的不断成熟,GNSS自动化监测系统已经在桥梁、建筑、地震、大坝等行业中应用并 取得很好的效益。GNSS自动化监测系统仪器以其超卓的性能受到专家的好评。采用GNSS技术用于桥梁等 工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如:英国Humber桥的GNSS监测系统、日本明石海 峡大桥的GNSS监测系统、门大桥GNSS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统、东海大桥GNSS监测系统、润扬大桥GNSS监测系统、湖北阳逻长江大桥监测系统等等。
        从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术,GNSS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。目前GNSS在桥梁监测中的常见精度为1到2厘米,最高数据采样频率为20Hz。大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。
        而采用变形监测软件系统方案,即将基准站和监测站的GNSS原始观测数据直接发给监控中心,在监控中心的服务器中对原始数据进行差分解算。这种方案具有如下优点:
        1、精度高。计算时,针对形变监测的特点,综合各方面的信息,建立误差改正模型,有效地剔除粗差,提高监测的精度。例如,根据监测点的地理位置和相对基准站的距离,选择采用的组合观测值类型;为提高系统的健壮性,采用三差扩展Kalman滤波模型;将测站周围的遮挡情况输入软件,以减少多路径的影响等。
        2、基准站的数据不需要发给监测站,而是和监测站一样,将原始数据直接送给服务器,降低了数据传输量,也提高了实时性。
        3、数据处理软件采用同时刻的监测站和基准站原始数据进行差分解算,提高了精度;
        4、通过在服务器上运行的数据处理软件,用户可以了解到各种信息,便于系统维护。
        当然,要达到这个目的,需要开发在服务器中运行的复杂的GNSS形变监测数据处理软件。目前,采用这种新方案的形变监测系统已经设计、安装、调试完成,并且在东海大桥、润扬大桥GNSS监测系统、上海长江隧桥、贵州坝陵河大桥、山东胶州湾大桥、闵浦大桥、湖北阳逻长江大桥监测系统桥梁变形监测工程中稳定运行。

        四、实施GNSS监测的必要性
        变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保证工程正常运行方面发挥了重要作用,但存在如下缺陷:
        ?大量采用手工采集数据的方法,自动化测点少,自动化程度低,工作量大,观测易受气候和其它外界条件的影响,容易漏过重要和危险的信号;
        ?各监测点的变形量在时间上不是同步的;
        ?平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上﹑不同的时间里采集的;
        ?精密水准网路线长。
        利用GNSS监测系统对桥梁进行变形监测,能克服传统监测系统所存在的缺陷,精度能满足规范要求,而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化,甚至瞬时变化,实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态,及时发现问题,确保桥梁的安全,并为桥梁提供更可靠的安全监测资料。

       五、设备选型

       1、司南GNSS接收机
司南M300C GNSS 监测型接收机采用自主知识产权GPS+北斗二代多模多频模块,紧跟国际卫星定位发展的步伐,为GNSS产业革命性产品,特别在变形监测中的应用.
        2、GNSS天线
        司南AT300扼流圈天线是一款具有极低相位中心误差的GNSS双星四频测量天线,主要用于一些对测量精度有很高要求的场合,如GNSS地面基准站、地震预测等。该天线采用多馈点微带天线技术,保证天线相中心与几何中心的重合。内置采用前置滤波技术的低噪声放大器,提高系统抗干扰能力,内置防雷保护电路可长期在户外安装使用。天线外罩采用玻璃钢材料,耐用性能好。
        3、GNSS天线罩
       G N S S 天线罩针对G N S S 工作频段( 1 5 7 5±25MHz )建议采用司南定制产品。

        六、概况总结

        从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术,GNSS与其它传感器结合用于桥梁安全监测已形成了趋势。它的观测方法主要分为两个流派:单基站RTK模式和控制中心实时统一解算模式。目前单基站RTK模式的GNSS监测方法在桥梁监测中的常见精度为1到3厘米,数据采样频率一般为1Hz。

        另外,目前大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。利用控制中心实时统一解算模式的监测方法虽然难度较大,但精度较好。本方案中推荐的就是这种工作模式。

        七、案例介绍

        青洲闽江大桥位于福州市马尾区与长乐市之间,既是国家高速干线G15“沈海高速”跨越闽江的通道,又是福州市区至长乐国际机场的枢纽工程,本桥设计荷载:汽车-超20级,挂车-120,设计车速:80km/h。2002年12月正式通车。目前管理单位为福州光闽路桥建设开发有限公司。该桥为双塔双索面五跨叠合梁斜拉桥,全长1 1 9 6 . 1 3 m , 其中主桥1 1 8 5 m , 跨径布置为(40+250+605+250+40)m,斜拉桥两端各设一跨度为40m的过渡孔,斜拉桥主梁伸入过渡孔8.5m,其余部分配以跨径31.5m的预制T梁。主跨6 0 5m范围内以主孔中心线为对称点,设置半径30251.512m的竖曲线,在2#、3#塔墩设置有横向限位支座,主梁纵向在2#塔墩处设纵向限位约束,在0#墩过渡孔梁端设一道位移量640mm 伸缩缝,在5#台过渡孔梁端设一道位移量800mm 伸缩缝。

        闽江青州大桥健康安全监测系统于2013年2月完成现场实施及系统调试,系统进入运行期。运行期内未发生故障,稳定运行已3年。青州大桥项目由2个GNSS参考站及3个GNSS监测站组成。参考站分别位于明珠大酒店楼顶及福州水产大厦楼顶。监测站分别位于两个桥塔塔顶及主跨跨中伸缩缝处。系统供电由大桥及各大楼中的市电供电网络提供,连续24小时不间断供电,保证系统稳定运行。系统通讯采用大桥桥体通讯系统,通过光纤网络将各监测站采集到的原始数据回传至数据处理及控制中心。参考站通讯采用无线网桥通讯技术,点对点数据传输。桥塔及跨中位置的监测点安装采用化学锚栓进行观测柱固定。跨中位置观测墩4m,桥塔塔顶观测墩高1.2m。





 
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