[分享]大桥管理者不得不看的一些东西......

发表于2020-05-11     21人浏览     1人跟帖     总热度:172  

大桥管理者,这些唠叨你且听听~


2020年5月5日下午两点左右开始,虎门大桥发生幅度较大(通行者看来)的限幅(专家视角)涡激振动,各位桥梁专家纷纷给出了经验性判断,认为施工期间的水马改变了桥梁截面构型,产生了涡激振动,属于限幅振动,结构安全。5月6日在水马拆除之后,大桥又发生了肉眼可见的振动,专家解释说等待获得测量数据后给予分析。


在这种情况下,大家纷纷想到了桥梁结构健康监测系统。


啥是桥梁结构健康监测?


传统的桥梁评估通过人工手段进行桥梁检测和监测,给出加固和维护建议,然而,这种技术手段已无法满足目前桥梁的养护要求,难以有效地防范突发事件。随着信息和传感技术的发展,桥梁健康监测系统应运而生。


桥梁结构健康监测通过实时采集反馈结构物服役状况的相关数据,采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度,及时有效地评估结构的安全性,预测结构的性能变化并对突发事件进行预警,因而可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律,是保障大型工程结构隐建造和服役安全的有效手段之一。


桥梁结构健康监测的内容主要为:


1.变形监测。即采取适宜的测量手段,对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有:导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。


2.应力监测。桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起的。外部条件主要有动荷载、气候、侵蚀、撞击和其他突发事件的作用等,而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。应力监测数据可以定量性地反映出桥梁主体结构的内应力变化和性能变化情况。


3.动力特性监测。桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关,动力监测是在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的条件下进行,主要对桥梁结构由桥址处风荷载、水流等随机荷载激振引起的微小振动响应进行测定。检测项目主要为:主体结构的自振频率、振型等。桥梁结构动力检测方法主要有:固有频率、应变模态、模态置信度判据、柔度矩阵、小波分析、遗传算法等。


4.温度监测。通过对整桥温度场的监测,可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响;可以了解桥梁结构在某种温度场下的结构变形、内力变化等情况。


5.表观检测。表观检测的主要内容为:桥梁混凝土裂缝、强度、碳化深度、外观质量检测、钢梁及金属结构外观及腐蚀检测及支座、桥面铺装、伸缩缝、锚端连接等部位、部件的损坏情况观察等。


如果虎门大桥安装了桥梁结构健康监测系统,会怎样?


假如虎门大桥之前安装了桥梁结构健康监测系统,便可以获取以下几类数据:


(1)风荷载监测数据,可以分析出风速风向,水平攻击角,风功率谱构成等量化数据。


(2)振动特性监测数据,可以分析桥梁振动模态(频率、振型和阻尼比),可以分析振动型式(是竖向,还是扭转?是涡激振动,还是抖振等),能量主导频率。


(3)GNSS监测数据,能够监测桥梁振动幅度的绝对值。通过加速度数据二次经费得出的绝对幅值精度值得查验。法国原子能机构的一个下设公司就有桥梁专家可以基于实测数据对于此次涡激振动给出比较精准的分析和判定,进而对于今后大桥使用的安全性进行预测,也能够为业主对交通进行科学管控(在什么情况下中断交通)提供定量依据。


虎门大桥上装了哪些监测系统?


据了解,通车后不久,虎门大桥上安装了清华大学过静珺教授负责的GPS监测系统,但该系统年代久远,加之当时GPS设备技术水平还不高,大概率系统已经不能使用。


2010年,广东地震局在虎门大桥上安装了强震动监测系统,共17测点36通道,测站分别位于桥墩基础、桥塔、主梁等桥梁关键部位。 


什么是强震动监测系统?


强震动监测系统装备有自主研发的重大工程地震安全监测与评估软件系统,实现地震、撞击、振动等突发事件的实时报警,并快速判断大桥结构运行健康状况,服务于重大工程的抗震研究、震(振)后快速评估和日常维护加固。


目前,该强震动监测系统已在港珠澳大桥、虎门大桥、新丰江水库大坝、深圳地王大厦等14项重大工程上示范应用。


根据报道,该系统的监测数据,与其他教授通过视频简单分析的结论并没有本质性区别。强震动监测系统观测数据显示,振动能量主要集中于0.36hz频率范围。专家们视频分析:一个团队结论是0.35hz,另一个团队0.36hz。抛开通过强震仪得出44.61cm振幅的数据是否可靠性这个问题(通过加速度二次积分得出的位移精度几何,需要查验),两者初步分析结果一致:大桥箱梁主体结构在此次振动事件中未受到明显影响。


此外,笔者查询到一则信息提到,虎门大桥特地开发了健康监测系统,该系统主要包括虎门大桥三维位移GPS实时动态监测系统和虎门大桥应变监测数据处理系统。不过,从目前来看,虎门大桥尚未提供(未公开)上述数据,因此该大桥是否安装有相关结构性健康系统需要进一步核验。


传言,虎门大桥的健康监测系统要升级?


据了解,某国内著名科研院所,最近几天将会去虎门大桥提供结构健康监测系统的技术建议。可以预见,国内知名设计院、科研院所、著名高校等等都将希望去说服业主。从必要性角度,虎门大桥确实应该安装一套性能可靠(选用优质传感器和监测设备)、技术先进(能够做些扎扎实实的分析)并能够用于大桥日常管理和长期养护决策的桥梁结构健康监测系统。


在这里,简单介绍一下中国香港桥梁健康监测系统


香港桥梁的结构健康监测系统介绍


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)。


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。(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。


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中国香港建设WASHMS的最高水平。


昂船洲大桥WASHMS系统包括四个子系统,分别是:(a)传感器子系统;(b)数据采集及传输子系统;(c)数据处理与控制系统;(d)结构健康评估系统。


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,专家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;(b)数据采集与控制传输子系统;(c)数据传输子系统;(d)数据处理与展示子系统;(e)结构健康评估系统。


大桥管理者,这几句“民间唠叨”希望你们听听


经过此次虎门大桥事件,结合以往几座大型桥梁结构健康监测系统实施的经验教训,业内人士有几句“民间唠叨”,在此给大桥管理者们提个醒:


第一,从业主层面重视监测系统建设的项目管理管控。根据近两年在国内所见到的桥梁结构健康监测系统大量失败的工程案例,我们得出的结论是,根本原因在于业主对此类项目的管理不熟,从而采购不到最为先进的技术服务。希望业主单位引起足够的重视。


第二,业主单位要有技术“定力”。不是概念炒作最为花哨者水平为最高,大数据、物联网、人工智能、智慧桥梁等等概念性炒作,反倒不如精挑细选传感器、扎扎实实做好系统设计和安装工艺,能够获取些有效的真实数据,做到这一点已经算是功德无量了。有了数据保留下来,遇到这种涡激振动异常情况便会有数据可供分析。这点请业主单位警醒。


第三,系统预算要合理。桥梁监测系统设备质量层次不齐,有的传感器价格差距几倍,业主单位要给予系统建设合理的费用预算。但是要小心技术方案中设备高大上,实际安装中“偷梁换柱”获取暴利的行为。


第四,必须要求系统实施单位提供桥梁结构健康监测系统详细设计施工图,如此能够确切知道系统的详细全貌,利于设计监测系统本身的定期检测体系。画几张草图,曰技术方案,就上桥安装的做法不太“工程”。


第五,选择合适的建设模式。桥梁结构健康监测系统有三种可供选择的建设模式:(1)建设交付模式DB,系统完成后交付给业主,由业主自行对系统实施运维;(2)建设-交付-运维模式BTO,实施单位系统完成后,将系统所有权移交给业主,然后提供后续系统运维服务;(3)建设-拥有-运维-服务模式BOOS,实施单位自行出资建设系统,拥有监测系统的所有权,自行对系统进行运维,仅仅向业主提供监测服务和数据服务,业主付费每年购买监测和数据服务。第一种模式业主责任大,第三种模式对系统实施单位约束力最强,偷工减料不如扎扎实实把系统做好。


第六,重视系统运维。国内好多系统往往是在大桥建设期容易获得预算,然而建设期管理者很难对系统后续运维给予重视。对于长期使用的监测系统,运维工作非常非常非常重要,要么业主配备专业齐全的运维人员,要么委托实施单位运维。


第七,总结经验教训。业主要求做前期技术交流,有意获得大桥监测系统实施的工程单位或科研单位提供之前的经验教训。国内做项目的单位往往片面地说自己技术如何如何好的居多,而真正做自我反思,敢于把失败的教训说给业主的少。


第八,建议系统探索“开放式设计”和“开放式数据分析”开放式设计是在系统前期,通过各类社群平台,吸引专业人士的积极参与献言献计,这些参与意见的专业人士往往出于热心而非要钱。SCHM(structuralcontrolling and health monitoring)微信群中各路学者对虎门桥此次异常振动给出很多科学分析,技术讨论还在继续中,这是非常值得关注的知识交流模式。“开放式分析”是有将监测数据公布与众的勇气,当然不是谁都能自由访问的那种公开。而是只要是来函所要,用途合理,签署保密协议后提供,如此能够利用最当前的先进分析技术。从而避免工程单位“重建设,轻运维,最轻数据分析”不合理现状。


第九,积极尝试探索科学的项目管理模式。以虎门大桥为例,业主单位可以考虑以此为契机,通过科学的项目管理模式设计,力争建设一个世界一流的桥梁结构健康监测系统。可以尝试业主工程师(国际工程管理中的Engineer)、咨询单位和实施单位相互合作的项目管理模式。


Engineer:为业主服务,负责项目全过程管理,包括项目管理体系搭建,设计审核,安装过程管控,以及系统验收,系统运维等全过程管理。Engineer要有丰富的工程经验,同时要有优良的职业操守和道德修为。


咨询单位:咨询单位负责系统初步设计,咨询单位可以尝试开放式设计,广泛吸纳当前设计技术和数据分析技术,是把系统从0到1给构想出来的创造性工作。咨询单位控制好系统大的框架,做到初步设计即可。


系统实施单位:实施单位做施工图设计,确定详细的各类设备,负责系统安装集成和后续运维。甚至在BOOS模式下负责投资。


Engineer的设置避免了业主单位在管理此类系统上的技术短板和管理短板;咨询单位主要提供咨询服务,不挣系统实施的费用,从而能够有动力保持技术不受利益干扰;实施单位既要有技术实力同时还需要有资金实力(如果采取BOOS模式)。


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 发表于2020-05-11   |  只看该作者      

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筑龙学社小龍老师

中国 北京 | 给排水

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