CN109559025A - 一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系及其使用方法，属于建筑桥梁领域，其技术方案要点如下，包括结合使用的健康监测系统和现场检查部分，健康监测系统包括数据管理系统、构件评级系统和损伤评估系统；数据管理系统用于管理传感器系统的检测数据和预设数据库；构件评级系统用于对桥梁构件进行重要性、危险程度及易损性评级；损伤评估系统用于评估损伤评估状态；现场检查部分包括常规检查、详细检查以及特殊检查以评估构件的损伤状态。本发明还公开了该体系的使用方法。该体系具有能够科学地指导工程决策，对桥梁实施有效的保养、维修与加固工作，延长桥梁使用寿命的优点。本发明适用于桥梁结构检监测。
Description
技术领域
本发明涉及建筑桥梁领域，特别涉及一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系及其使用方法。
背景技术
为保证桥梁交通畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素影响以及在长期静载和活载的作用下易于受到损伤，相应其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不仅会影响行车的安全，亦会使桥梁的使用寿命缩短。
桥梁运营状况健康状况评估体系将综合现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓桥梁检测领域，提高预测评估的可靠性。当然，桥梁健康监测系统虽可为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件。此外，由于对桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤与非结构性损伤两大类，用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测的传感器种类和布置截然不同。此外，非结构性损伤虽然不会减弱结构的承载能力与耐久性，但将对桥梁的正常运营造成隐患。
传统的人工检查方法中，养护数据由桥梁养护管理技术人员在日常巡查、经常检查和定期检查中对桥梁结构部件的局部检查。形式单一、时效性低，病害描述用语不规范，大量数据难以共享共用，检索效率低下、数据统计可信度不足。且桥梁具体部件病害影响程度评估的相关工作仍然依赖于检测工程人员基于经验和理论素养的主观判断来进行，无法检测到桥梁的结构内部动态参数，局部的结构状况也无法确定桥梁整体健康趋势；无法检测到桥梁内部结构在运营中结构的变化而产生的问题和故障，很难反映桥梁最符合客观实际的技术状况。
本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系及其使用方法，使其更具有实用性。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，具有能够科学地指导工程决策，对桥梁实施有效的保养、维修与加固工作，延长桥梁使用寿命的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，包括结合使用的健康监测系统和现场检查部分，所述健康监测系统包括数据管理系统、构件评级系统和损伤评估系统；
所述数据管理系统用于管理传感器系统的检测数据和预设数据库；
所述构件评级系统用于对桥梁构件进行重要性、危险程度及易损性评级；
所述损伤评估系统用于评估损伤评估状态；
所述现场检查部分包括常规检查、详细检查以及特殊检查以评估构件的损伤状态。
进一步的，所述数据管理系统包括动态数据库、特征值数据库、桥梁状态数据库以及桥梁信息数据库；
传感器系统用于采集数据，所述动态数据库对采集的数据进行预处理，所述特征值数据库对预处理的数据进行统计；
统计数据与所述桥梁状态数据库、所述桥梁信息数据库进行比较评估，生成桥梁状态检测数据库。
进一步的，还包括预警系统，所述预警系统包括初步预警模块和结构预警模块；
所述初步预警模块设置于传感器采集单元内，当预处理结果超出额定警戒值时，进行超值预警判别；
所述结构预警模块设置于健康监测系统内，当实时监测参数超出额定警戒值时，进行损伤评估分析。
进一步的，所述损伤评估状态包括结构型损伤和非结构性损伤，所述结构性损伤包括屈曲、开裂、腐蚀以及退化。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的桥梁检监测一体化健康状况评估体系具有能够科学地指导工程决策，对桥梁实施有效的保养、维修与加固工作，延长桥梁使用寿命的优点。
另外，还能够监测桥梁结构安全运营状况，提供桥梁定期维修养护所需要的信息，检验桥梁设计参数的可靠性和准确性，该体系通过监测提供必要且易于理解的数据，进行统计验证，审查强风、应力分布和船舶撞击等极限荷载，监视疲劳、应力分布和沉降情况，对桥梁结构目前状况下的安全度和设计使用寿命做出评估，为桥梁维护计划提供帮助。
本发明的第二目的是提供一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，结合监测数据、损伤评估分析与现场检查，可以获得定期和特殊事件的检测结果，并作相应决策和桥梁构件剩余寿命预测。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，包括以下步骤：
第一、现场检查：进行几何外观检查和构件检查，进行损伤评估分析，判断是否为结构性损伤；
第二、健康监测系统实时监测：
S1：建立桥梁状态数据库，预设基准值、界限值以及有限元模型；
S2：建立桥梁信息数据库，分析桥梁结构，预设桥梁构件评级结果；
S3：实时采集数据，将数据与桥梁状态数据库和桥梁信息数据库的额定警戒值进行对比评估；
S4：初步预警，当数据超出额定警戒值时，进行超值预警判别；
S5：结构性预警，实时监测预设参数并在线评估，当实时监测参数超过额定警戒值时，进行损伤评估分析；
S6：根据损伤评估状态进行决策和预测。
进一步的，在S4执行的同时，传感器系统向控制室发出数据优先传输和处理的申请，以便进入系统预警处理程序。
进一步的，在S5中，损伤评估分析基于模态评估和疲劳评估；
其中，所述疲劳评估具体为：确定复制变化谱的有效应力范围Δσ ef ，比较不同部位的Δσ ef ，根据最大Δσ ef 确定危险部位，根据疲劳模型进行疲劳分析。
进一步的，在S2中，所述桥梁构件评级采用分值评级的方式，包括构件重要性分级、构件危险性分级以及构件易损性分级。
进一步的，在S3中，所述桥梁状态数据库和桥梁信息数据库中的预设值随时间推移或桥梁结构改变进行更新。
进一步的，根据不同阶段的桥梁状态数据库的预设值判断桥梁的老化情况。
本发明具有以下有益效果：
将桥梁结构的整体评估与局部检测、实时监测与日常维护结合起来，方便桥梁监管部门和运营期桥梁养护人员监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力等，科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作。结合监测数据、损伤评估分析与现场检查，可以获得定期和特殊事件的检测结果，并作相应决策和桥梁构件剩余寿命预测。
附图说明
图1是实施例1中用于体现桥梁检监测一体化健康状况评估体系框架图；
图2是实施例2中用于体现S1-S3数据管理系统工作流程图；
图3是实施例2中用于体现疲劳评估流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1：一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，如图1所示，包括结合使用的健康监测系统和现场检查部分，具体的，健康监测系统包括数据管理系统、构件评级系统和损伤评估系统，数据管理系统用于管理传感器系统的检测数据和预设数据库，其中，检测数据包括荷载、环境检测、静动态响应检测以及桥梁特性检测。构件评级系统用于对桥梁构件进行重要性、危险程度及易损性评级。损伤评估系统用于评估损伤评估状态，其中，损伤评估状态包括结构型损伤和非结构性损伤，结构性损伤分为整体损伤和局部损伤，包括屈曲、开裂、腐蚀以及退化。现场检查部分包括常规检查、详细检查以及特殊检查以评估构件的损伤状态，判断是否为结构性损伤。通过健康监测系统和现场检查的有机结合，有效消除了现有技术监测方法的诸多不足，能够利用收集到的数据对桥梁的状态和安全进行评估，科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修和加固工作。
其中，数据管理系统包括动态数据库、特征值数据库、桥梁状态数据库以及桥梁信息数据库,传感器系统用于采集数据，动态数据库对采集的数据进行预处理，特征值数据库对预处理的数据进行统计，统计数据与桥梁状态数据库、桥梁信息数据库进行比较评估，生成桥梁状态检测数据库对桥梁的状态和寿命进行决策和预测。
另外，健康监测系统还包括预警系统，预警系统包括初步预警模块和结构预警模块，初步预警模块设置于传感器采集单元内，当预处理结果超出额定警戒值时，初级预警模块自动检测本传感器工作站内与该传感器相关联的参数和其他传感器的输出，进行超值预警判别，同时，该传感器工作站向控制室发出数据优先传输与处理申请，以便进入系统预警处理程序。结构预警模块设置于健康监测系统内，根据多级损伤与预警策略，首先要求对桥梁整体性及某些预置参数进行实时监测与在线评估或延时评估，延时时间不超过一小时。当实时监测参数超过额定警戒值后，结构性预警自动启动，从动态数据库或原始数据库中调入相关数据，进行构件损伤评估分析，以进一步确定损伤的位置和程度，并根据数据库预设值，决定是否需要进行现场特殊检查或交通控制。
此外，对某些传感器的预警，尚需作特别处理，例如设置于桥塔、桥墩底部的加速度传感器（主要用以监测地震及船撞荷载）。在突发事件发生时，除了即时的状态评估外，还需迅速进行现场检查。
对所有预警过程，均需录入事件记录文档。对结构有较大影响的事件，应形成特殊事件检测和评估报告。
本发明提供的桥梁检监测一体化健康状况评估体系具有能够科学地指导工程决策，对桥梁实施有效的保养、维修与加固工作，延长桥梁使用寿命的优点。
另外，还能够监测桥梁结构安全运营状况，提供桥梁定期维修养护所需要的信息，检验桥梁设计参数的可靠性和准确性，该体系通过监测提供必要且易于理解的数据，进行统计验证，审查强风、应力分布和船舶撞击等极限荷载，监视疲劳、应力分布和沉降情况，对桥梁结构目前状况下的安全度和设计使用寿命做出评估，为桥梁维护计划提供帮助。
实施例2：一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，如图2所示，包括以下步骤：
第一、现场检查：进行几何外观检查和构件检查，进行损伤评估分析，判断是否为结构性损伤，主要针对桥梁构件局部区域；
第二、健康监测系统实时监测：
S1：建立桥梁状态数据库，预设基准值、界限值以及有限元模型；其中，通过传感器系统来采集数据形成动态数据库，然后对数据进行经预处理、二次预处理和后处理进行数据压缩、信息提取和融合，得到有关结构特性以及荷载响应特性等实时结果，并可在此基础上建立起桥梁“健康”状态数据库，包括基准值、界限值和参数相关性模型，即桥梁状态数据库。随着桥梁年龄增加，其“健康”状态标准需作调整更新，维修工程可改善桥梁“健康”状态。根据不同阶段的桥梁状态数据库的预设值判断桥梁的老化情况。
S2：建立桥梁信息数据库，分析桥梁结构，预设桥梁构件评级结果，具体的桥梁信息数据库还可包括桥梁设计与施工、测点布置、静动力试、现场检查以及损伤类别等参数，这些数据构成了桥梁信息数据库。在对桥梁实施维修工程后，相应的结构信息需要更新。
S3：实时采集数据，将数据与桥梁状态数据库和桥梁信息数据库的额定警戒值进行对比评估；
S4：初步预警，当数据超出额定警戒值时，进行超值预警判别；
S5：结构性预警，实时监测预设参数并在线评估，当实时监测参数超过额定警戒值时，进行损伤评估分析，初步预警原理与结构性预警原理在实施例1中已经阐述，在此不再赘述。
S6：结合健康监测系统的检测数据和现场检查情况，根据损伤评估状态进行决策和预测。
作为上述实施例的优选，在S5中，损伤评估分析基于模态评估和疲劳评估；其中，疲劳评估具体为：确定复制变化谱的有效应力范围Δσ ef ，比较不同部位的Δσ ef ，根据最大Δσ ef 确定危险部位，根据疲劳模型进行疲劳分析，具体的疲劳评估流程如图3所示。
作为上述实施例的优选，在S2中，桥梁构件评级采用分值评级的方式，包括构件重要性分级、构件危险性分级以及构件易损性分级。具体分为两个阶段进行，第一阶段的评级主要基于设计要求及有限元分析的结果，对桥梁构件进行重要性、危险程度及易损性评级。评级结果也将作为传感器布置的参考。第二阶段的评级根据第一阶段的评级结果并结合现场检查、维护以及从健康监测系统获得的数据进行评定。
将桥梁结构的整体评估与局部检测、实时监测与日常维护结合起来，方便桥梁监管部门和运营期桥梁养护人员监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力等，科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作。结合监测数据、损伤评估分析与现场检查，可以获得定期和特殊事件的检测结果，并作相应决策和桥梁构件剩余寿命预测。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，其特征在于，包括结合使用的健康监测系统和现场检查部分，所述健康监测系统包括数据管理系统、构件评级系统和损伤评估系统；
所述数据管理系统用于管理传感器系统的检测数据和预设数据库；
所述构件评级系统用于对桥梁构件进行重要性、危险程度及易损性评级；
所述损伤评估系统用于评估损伤评估状态；
所述现场检查部分包括常规检查、详细检查以及特殊检查以评估构件的损伤状态。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，其特征在于，所述数据管理系统包括动态数据库、特征值数据库、桥梁状态数据库以及桥梁信息数据库；
传感器系统用于采集数据，所述动态数据库对采集的数据进行预处理，所述特征值数据库对预处理的数据进行统计；
统计数据与所述桥梁状态数据库、所述桥梁信息数据库进行比较评估，生成桥梁状态检测数据库。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系，其特征在于，还包括预警系统，所述预警系统包括初步预警模块和结构预警模块；
所述初步预警模块设置于传感器采集单元内，当预处理结果超出额定警戒值时，进行超值预警判别；
所述结构预警模块设置于健康监测系统内，当实时监测参数超出额定警戒值时，进行损伤评估分析。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，所述损伤评估状态包括结构型损伤和非结构性损伤，所述结构性损伤包括屈曲、开裂、腐蚀以及退化。
5.一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一、现场检查：进行几何外观检查和构件检查，进行损伤评估分析，判断是否为结构性损伤；
第二、健康监测系统实时监测：
S1：建立桥梁状态数据库，预设基准值、界限值以及有限元模型；
S2：建立桥梁信息数据库，分析桥梁结构，预设桥梁构件评级结果；
S3：实时采集数据，将数据与桥梁状态数据库和桥梁信息数据库的额定警戒值进行对比评估；
S4：初步预警，当数据超出额定警戒值时，进行超值预警判别；
S5：结构性预警，实时监测预设参数并在线评估，当实时监测参数超过额定警戒值时，进行损伤评估分析；
S6：根据损伤评估状态进行决策和预测。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，在S4执行的同时，传感器系统向控制室发出数据优先传输和处理的申请，以便进入系统预警处理程序。
7.根据权利要求5所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，在S5中，损伤评估分析基于模态评估和疲劳评估；
其中，所述疲劳评估具体为：确定复制变化谱的有效应力范围Δσ ef ，比较不同部位的Δ σ ef ，根据最大Δσ ef 确定危险部位，根据疲劳模型进行疲劳分析。
8.根据权利要求5所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，在S2中，所述桥梁构件评级采用分值评级的方式，包括构件重要性分级、构件危险性分级以及构件易损性分级。
9.根据权利要求5所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，在S3中，所述桥梁状态数据库和桥梁信息数据库中的预设值随时间推移或桥梁结构改变进行更新。
10.根据权利要求9所述的一种桥梁检监测一体化健康状况评估体系的使用方法，其特征在于，根据不同阶段的桥梁状态数据库的预设值判断桥梁的老化情况。
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