香港几座桥梁结构健康监测系统简介

前几天本公众号发表了一篇题为“桥梁健康监测系统有用吗-香港的启发”,各位同仁兴趣浓厚,并纷纷来信索要相关资料。为此,专列一篇,简单介绍一下香港桥梁健康监测系统,以抛砖引玉。香港对监测系统的称呼为Wind and Structural Health Monitoring System,WASHMS,第一批建设了三座桥梁的监测系统,分别是青马桥监测系统(TMB-WASHMS)、汲水门桥监测系统(LFC-WASHMS)和汀九桥监测系统(TKB-WASHMS)。

图1青马控制区三座桥梁

图2青马桥传感器布局图

图3汲水门桥传感器布局图

图4汀九桥传感器布局图

建设这些WASHMS的目的有三个方面:(1)验证桥梁设计假设和参数;(2)促使传统桥梁养护(人工检查为主)向基于传感器的养护转型;(3)建立桥梁长期的历史数据库,分析结构损伤,为今后设计新桥提供经验参考,为结构设计手册修编提供实际数据,同时为本地大学相关研究提供数据。

系统监测项目包括:(1)荷载方面,风荷载、温度荷载、交通荷载和地震荷载。(2)结构特性,整体动力特性和静力影响线。(3)结构响应监测,缆索拉力、几何形态、应力分布和疲劳寿命等。【我们在后来的实践中监测项目分成三类:荷载监测、结构响应监测和结构耐久性监测】

监测系统管理中心每年基于传感器采集的数据进行大量的分析,并出监测报告,本人见到一份青马桥梁2003年年度监测报告图表部分就达144页。由于篇幅关系,下面列举两个监测项目及数据分析。

(1)风荷载监测。香港处于沿海地区,台风多发,桥梁风荷载监测非常重要。在系统设计的时候选择了两种风速仪,塔顶用量程较大的双向风速仪,桥面出用的是三向超声风速仪。数据分析请见图5,包括风速风向玫瑰图、风功率谱、风攻击角以及不同重现期最大风速(可与最大设计风速对比)。记得听他们说过,经过几次台风监测,青马桥实测风攻击角比设计取值小。

图5青马桥梁风荷载监测设备

图5-2

图5-3

图5-4

图5-5

图5-6

(2)动力响应监测及数据分析。加速度监测数据除了做些统计分析之外,主要用于结构模态分析,包括频率和模态振型,基于动力参数的结构损伤识别分析曾经一度是监测领域研究的热点。

图6青马桥模态分析示意图

结构健康监测领域有人认为,有结构初始信息(又称“原始指纹”),监测数据分析对于识别结构损伤效果要好。青马桥通车之前做了静力影响线侧和结构动力特性脉动测试。

图7青马桥静力影响线测试

图7-2应变影响线测试

图7-3位移影响线测试

经过青马控制区三座大桥WASHMS建设及大量监测数据分析,香港积累了很多桥梁监测系统建设的经验和教训,这些经验和教训在昂船洲大桥结构健康监测系统设计实施时都得到了充分的吸收。昂船洲大桥的监测系统SCB-WASHMS无论从传感器种类和数量、经费投入(据说超过了一亿港元),还是系统结构层次划分和数据分析等方面都达到了香港建设WASHMS的最高水平。单单该系统招标文件中的specification部分就多达300页(不包括传感器布点图)。

图8昂船洲大桥WASHMS传感器布点图

昂船洲大桥WASHMS系统包括是个子系统,分别是:

(a)传感器子系统,Sensor System(SS);

(b)数据采集及传输子系统,Data Acquisition andTransmission System(DATS)

(c)数据处理与控制系统Data Processing andControl System (DPCS);

(d)结构健康评估系统Structural HealthEvaluation System (SHES)

但是基于对该系统的整体理解,各个子系统承担的不同功能,在后来的工程实践中,我们认为结构健康监测系统子系统如下划分较为清晰合理:

(a)传感器子系统,Sensor System(SS);

(b)数据采集与控制传输子系统,Data Acquisition and ControlSystem(DACS)

(c)数据传输子系统,Data Transmission System(DTS)

(d)数据处理与展示子系统Data Processing and InterpretationSystem(DPIS);

(e)结构健康评估系统Structural HealthEvaluation System (SHES)

这里不再详细展开论述,感兴趣的可以参阅昂船洲大桥WASHMS相关资料。

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