大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统研究1

姜　慧1，2，3　王立新1，2，3　严　琨1，2，3　赵贤任1，2，3马宏伟4丁　桦5聂振华41广东省地震局，广州 5100702广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州 5100703中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 5100704暨南大学，广州 5106325广州中国科学院工业技术研究院，广州 511458

大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统研究1

姜慧1，2，3）王立新1，2，3）严琨1，2，3）赵贤任1，2，3）
马宏伟4）丁桦5）聂振华4）
1）广东省地震局，广州 510070
2）广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州 510070
3）中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070
4）暨南大学，广州 510632
5）广州中国科学院工业技术研究院，广州 511458

姜慧，王立新，严琨，赵贤任，马宏伟，丁桦，聂振华，2016.大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统研究.震灾防御技术，11（2）：261—271.doi：10.11899/zzfy20160209

大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统包括四个方面的技术内容：①基于B/S架构的桥梁强震观测台阵实时监测技术；②基于多指标信息融合技术的桥梁安全评估方法；③快速桥梁数值仿真技术和抗震性能评估；④桥梁监测与评估系统集成与可视化系统。该系统实现了桥梁强震监测数据实时采集、传输、分析、诊断、仿真和评估一体化。平时不间断地分析诊断桥梁与初始或完好状态动力特性的差异，为桥梁养护和加固提供参考依据；发生船撞或地震时，快速评估事件后桥梁的安全状态，并对异常进行警报，给桥梁管理方提供破坏事件的强度信息。

大型桥梁地震安全健康诊断快速仿真在线监测与评估系统

引言

改革开放以来，我国建设了大量桥梁工程，特别是在沿海地区，建设了很多跨海、跨江河大型桥梁，有些已经使用了二三十年，在日常荷载、腐蚀、材料老化等因素的作用下，桥梁的健康状况已经出现了一些问题，一旦遭遇地震或船撞击，桥梁结构将面临严重的威胁。大型桥梁结构的健康监测系统一直是国内外学术与工程界研究的热点，并在部分桥梁上得到了应用（黄方林等，2005；李惠等，2006；李爱群等，2012），例如国内的武汉长江大桥、江阴长江大桥、润扬长江大桥、苏通大桥、杭州湾跨海大桥、香港的青马大桥等几十座大型桥梁上都安装了健康监测系统。有研究者建立了城市桥梁安全监测及评估系统（马俊等，2006）、桥梁船撞监测及评估系统（耿波，2007；杜彦良等，2015）；也有学者将GIS和地震工程技术结合起来建立了桥梁抗震管理和灾害评估系统（王东升等，2003；陈明等，2004；赵立岩，2006；徐清，2006）。但由于桥梁结构及其所受荷载的复杂性，现阶段桥梁结构健康监测及安全评估系统很难实时监控桥梁健康状态和潜在危险。

本研究在对国内外已有监测系统深入研究的基础上，通过对工程结构中常见的桥梁形式（连续梁桥、斜拉桥、悬索桥）的监测及分析，发展了一种集监测数据实时采集、桥梁损伤实时多指标融合分析、快速仿真和抗震性能评价一体化的桥梁安全评估系统。本系统不仅可实时评估桥梁日常运行情况下的安全状态，在地震或桥梁被船撞时，也可快速评估事件后的桥梁安全状态。另外，还可以根据桥梁所处的地震环境，模拟未来地震作用下桥梁可能的破坏情况，为桥梁抗震设计和抗震加固提供参考依据。

1　系统的总体设计

1.1系统总体设计

为了便于对各种功能分类管理，大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统包含4个分系统：①桥梁强震观测台阵在线监测系统（简称“在线监测系统”）；②基于多指标信息融合技术的桥梁安全评估系统（简称“安全评估系统”）；③桥梁快速仿真和抗震性能预测系统（简称“仿真预测系统”）；④桥梁监测、评估、仿真、预测可视化集成系统（简称“可视化集成系统”）。通过在线实时监测和桥梁结构参数及其演化特征识别，实现强震作用下桥梁结构安全性的预测和警报，为大型桥梁安全运行服务。各分系统主要内容及相互间的联系见图1。

图1　各分系统的主要功能及联系Fig.1　The main content of each subsystem and its association

1.2各分系统主要功能

1.2.1桥梁在线监测系统

开发基于B/S架构的桥梁强震动监测软件，通过网络化技术，实现了同时对多个台阵采集的强震观测数据进行汇集、传输、常规分析处理及存储管理，对其运行情况进行实时监控。同时，对桥梁可能遭遇的地震或船只、重车撞桥等事件进行实时监测和识别分析。

1.2.2安全评估系统

对多种基于动力特性的损伤诊断方法，进行多指标融合分析，筛选出统一标准、规范化、系统化损伤识别评估方法。通过编写多指标损伤识别程序及融合分析评估程序，使系统可对日常荷载及偶然事件作用下的损伤状况，快速判定是否有损伤发生，并提出综合评估意见。

1.2.3仿真预测系统

本分系统包含桥梁结构参数反分析和有限元模型修正、桥梁结构快速仿真和地震作用下桥梁结构快速评估等子系统。桥梁结构快速数值仿真子系统中包括了人工地震的合成与输入、环境载荷输入、人工边界、有限元模型生成、宏单元算法等。桥梁结构参数反分析包括利用不同激励下的监测数据对桥梁结构参数的反演、信号降噪处理等。地震作用下桥梁结构快速评估技术通过快速数值仿真和模拟强震下桥梁结构对地震动的放大效应，实现桥梁抗震性能的快速预测。

1.2.4可视化集成系统

使用与系统平台无关的Java语言开发桥梁在线监测与评估可视化集成系统，实现了接收、存储并分析处理多通道数据采集器发回的实时桥梁振动信息，同时针对不同用户需求，开发友好的可视化用户界面，编制核心的接口软件，供安全评估系统和仿真预测系统挂入，对地震或船只、重车撞桥等事件进行报警。完成对各子系统软件的运行、管理和调用，为使用者提供界面友好的、可视化和集成化程度高的操作平台。

2　监测系统的组成和安全评估方法

2.1在线监测系统的组成

在线监测系统主要包括传感器网络、数据采集和传输系统，已分别应用于佛开高速公路九江大桥、珠江黄埔大桥南汊桥悬索桥和虎门大桥主航道桥等不同类型的桥梁。下面以虎门大桥为例对监测系统进行介绍。

2.1.1传感器网络

为获取桥址场地输入地震动和桥梁整体特别是关键部位的地震反应实测数据，本台阵测站分别布置在桥址地基、桥墩、桥塔、主梁等部位，共17测点，其中包括6个三分量加速度计、3个竖向-横向双分量加速度计、2个竖向-纵向双分量加速度计，2个横向-纵向双分量加速度计、3个竖向单分量加速度计、1个纵向单分量加速度计，共计36线道，如图2所示。

其中，在两座主塔基础上分别布置三分量加速度计以记录大跨桥梁可能受到的多点地震动输入，两座主塔塔顶均设置三分量加速度计以记录主塔的地震反应（图2中A—A、E—E截面），在位于江中的番禺侧桥塔塔顶和下横梁上增设横向及纵向加速度计以记录主塔的扭转反应（E—E截面）；在塔柱两侧加劲梁上（A1—A1、E1—E1截面）分别设置两个多分量加速度计以记录在地震惯性力作用下梁端可能出现的较大纵向漂移以及水平、竖向转动；因为悬索桥整体不对称，在主跨L/4、L/2、3L/4处（图2中B—B、C—C、D—D截面）上下游都分别设置横向及竖向加速度计以记录竖向、横向振动以及加劲梁的整体扭转反应。

2.1.2数据采集和传输系统

系统由24通道中心记录式数据采集器和力平衡式加速度计构成。数据采集器采用美国Kinemetrics公司生产的Granite多通道数字强震数据采集器，该数据采集器具备高动态范围和高计时精度的特点，动态范围90dB，通道数可达36道，所有通道同步采样；具有GPS授时和本机存储功能；具备阈值触发、手动触发等触发模式；支持远程通信与数据传输；支持UDP/IP协议。传感器采用中国地震局工程力学研究所生产的SLJ-100FBA型加速度计，测量范围±2g，频带0—80Hz，相位为线性（0—100Hz），动态范围135dB。系统构成如图3所示，系统采取远程监控和存储数据的方式，定时将仪器的运行状况传回台网中心，台网中心可以进行远程仪器调试和数据采集，在检测到突发事件发生后系统自动将事件的有关参数、数据传回台网中心。

图2　虎门大桥监测台阵布置Fig.2　Strong motion observation array of Humen Suspension Bridge

图3　强震动监测系统专用设备技术系统构成Fig.3　Technical system components of strong motion monitoring system

2.2安全评估系统

安全评估系统选用了基于四个独立的损伤指标的评估方法，分别是：主成分分析法、小波包能量法、重构相空间法和二次协方差（CoC）矩阵法（Takens，1981；Li等，2010）。得到的各个指标从不同方面反映了桥梁结构状态，因此可以分别根据每个诊断指标来对桥梁的健康状态进行实时评估。选用的这四种方法计算便捷，基本不需要人工干预，因此适合监测数据的准实时分析和评估，其中前三种方法均为每一分钟计算一次，CoC矩阵方法每二小时计算一次。图4是四种方法的计算结果示例。

图4　四种方法计算结果示例Fig.4　Example calculation results by four methods

由于以上每一种方法都是通过基于桥梁结构的某一种物理特性来实现的，而单一的物理特性又很难全面地反映损伤的整体信息，所以单一指标的损伤识别方法存在误判和漏判的可能，从而降低安全评估的可靠性。因此本系统采用自适应加权最小二乘法对多指标进行指标融合（聂振华等，2011），即：

其中，Wi为对应归一化指标Xi的权值。求取W使得各指标的总方差最小：

其中，σ为各指标的方差值。然后把式（2）代入式（1），便可得到需要的融合指标。当该指标的值为“1”时，代表结构在正常运行。对实测数据进行分析，结果如图5所示。可见，所选取时段内，融合指标的值围绕着“1”上下波动，可据此推断桥梁结构的状态是稳定的。

2.3仿真和预测

快速仿真及抗震性能预测的本质是对桥梁在载荷或地震作用下的动力反应进行快速准确的有限元模拟。首先对所采集到的桥梁加速度信号进行信号降噪处理，通过参数反演计算出桥梁结构频率阻尼比等有限元分析所需参数，然后应用宏单元算法生成桥梁有限元模型，添加人工边界，对桥梁进行快速仿真分析。

以虎门大桥为例，采用宏单元法将其划分为21个同步性区域，以此构造有限元模型。利用快速仿真系统计算虎门大桥的动力特性，并与通用有限元程序Ansys的计算结果进行对比。其中Ansys模型采用壳单元模拟钢箱梁、梁单元模拟桥塔、杆单元模拟主缆和吊索，共计约200万个自由度。从表1可以看到采用快速仿真系统计算的前10阶自振频率与Ansys计算结果的误差均在1%以内。同时采用虎门大桥监测台阵记录到的2013年河源4.8级地震记录放大10倍作为地震动输入，时程曲线如图6所示，采用本系统计算得到的塔顶位移时程曲线与Ansys的计算结果一致，如图7所示，而本系统的计算时间为43.07s，明显优于Ansys 的3个小时，说明仿真系统在保证精度的前提下可以快速完成大型桥梁的动力特性计算。

表1　虎门大桥自振频率计算结果对比Table 1 Comparison for the results of natural frequency of Humen Suspension bridge

图6　地震动时程曲线Fig.6　Seismic time history curves

图7　虎门大桥索塔顶地震位移响应对比Fig.7　Comparison of seismic displacements at the top of pylon of Humen Suspension bridge

仿真的一个重要目的在于快速评估桥梁的抗震性能，根据桥梁所处的地震环境，可合成人工波或选择天然地震波模拟未来地震作用，对这些地震波进行降噪、去零处理后的加速度信号作为抗震性能预测的输入，通过模拟地震作用下桥梁结构的动力反应，预测桥梁不同部位的地震载荷值，与桥梁的设计载荷进行对比，即可估计出桥梁的薄弱环节所在，实现桥梁抗震性能快速预测，为桥梁维护或抗震加固提供依据。

2.4可视化集成系统的实现

本系统是在J2EE架构的基础上开发的B/S结构（Browser/Server）系统（图8）。B/S结构系统最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑即可，维护和升级方式简单。

图8　B/S结构示意图Fig.8　Schematic diagram of Browser/Server architecture

按照J2EE架构将系统分成4层：数据持久层、业务逻辑组件层、MVC模式的控制器层和表现层。为了与JOPENS系统的无缝结合，本项目采用Hibernate技术作为数据持久层，它对JDBC进行了非常轻量级的对象封装，从而使操作数据库可以随心所欲地使用对象编程的思维；业务逻辑层由系列的业务逻辑对象组成，这些业务逻辑对象实现了系统所需要的业务逻辑方法；MVC即Model-View-Controller，即把一个应用的输入、处理、输出流程按照Model、View、Controller的方式进行分离，这样一个应用被分成三个层——模型层、视图层、控制层，如图9所示。

本系统主要是解决数据查询、数据显示，实现人机交互，进行数据分析、决策。为了解决这些复杂的问题，在处理数据显示方面，利用JOSN的跨平台性和JavaScript交互将数据封装为JOSN，通过JavaScript在浏览器进行画图显示，大大的提升了系统的性能和稳定性。在数据分析决策方面，利用Java与Matlab的公共包，通过Matlab编程后打包为jar包，实现Java调用Matlab，Java通过编程将各项数据参数传递给Matlab，Matlab在计算后将图形处理结果返回给J2EE系统，J2EE系统的视图层负责将结果展示给用户，如图10所示。使用Matlab强大的工程和数学图形库，大大的简化了开发的复杂度，并且为系统实现更复杂的功能奠定了基础，并使其具有良好的扩展性，使操作更加便利。

图9　MVC示意图Fig.9　Schematic diagram of Model-View-Controller

图10　系统结构图Fig.10　Schematic diagram of system structure

在线监测与评估系统总体界面如图11所示，包括了“监测系统”、“数据浏览”、“数据分析”、“结构仿真”、“综合评估”等5个菜单，实现的功能分述如下：

（1）监测系统。包含3个子菜单：监测系统介绍、数采配置和仪器标定、日志，通过这些菜单，可以了解已建成的桥梁监测系统的仪器布置情况、地震地质环境、场地条件、施工照片等，还可以远程对设备进行参数设置与加速度计的标定，日常监控系统状态等。

（2）数据浏览。可以浏览实时的桥梁振动数据，或者任意桥梁、时间、通道的历史振动数据。

（3）数据分析。实现了多种分析方法的在线分析，包括主成分分析法、小波包能量法、重构相空间法、COC矩阵法和多指标融合分析等。

（4）结构仿真。通过本模块，可以输入不同的地震波，实现桥梁的快速建模、模态显示以及地震响应分析等。

（5）综合评估。根据在线数据分析多指标融合诊断结果，评估结构的安全状况；根据设定地震作用下结构地震响应的仿真结果，预测结构的薄弱环节。

图11　系统界面图Fig.11　System interface figure

3　结论

在对大型桥梁强震动在线监测、实时分析和结构仿真深入研究的基础上，开发了大型桥梁地震安全性在线监测和评估系统，可实现在强震作用、船撞及自然破坏等情况下桥梁的安全性诊断和警报，同时，也可对未来地震环境或设定地震输入下桥梁的破坏状态及薄弱部位进行预测，为大型桥梁安全运行提供实时的在线服务。

系统通过自主研发优化的多通道强震动数据采集器及其接口软件，实现桥梁强震动监测台阵的数据实时采集、存储、处理和交互分析；利用多指标融合评估技术，依据多损伤指标的综合判定结果，对桥梁安全状况的判断更加准确可靠；通过快速数值仿真和性能预测系统对桥梁在地震荷载作用下的性能进行快速预测，并对可能的损伤状况进行预判，及时发现大桥的薄弱环节，并为桥梁改造和加固提供了科学依据。本研究开发的大型桥梁地震安全性在线监测和评估系统，已经使强震观测台阵技术系统实现质的飞跃，但还存在一些有待完善的问题，如：融合指标评估方法的实时性还不够高，利用强震监测数据进行结构参数反分析及有限元模型修正还需要作深入的研究。

陈明，胡世德，2004.基于分布式数据库的桥梁抗震分析系统设计.计算机工程，30（12）：165—169.

杜彦良，苏木标，刘玉红等，2015.武汉长江大桥长期健康监测和安全评估系统研究.铁道学报，37（4）：101—110.

耿波，2007.桥梁船撞安全评估.上海：同济大学.

黄方林，王学敏，陈政清等，2005.大型桥梁健康监测研究进展.中国铁道科学，26（2）：1—7.

李爱群，丁幼亮，王浩等，2012.桥梁健康监测海量数据分析与评估——“结构健康监测”研究进展.中国科学，42（8）：972—984.

李惠，周文松，欧进萍等，2006.大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究.土木工程学报，39（2）：46—52.

马俊，刘山，吴铁军，2006.杭州市桥梁在线安全监测管理信息系统的开发.公路，（12）：108—114.

聂振华，程良彦，马宏伟，2011.基于结构动力特性的损伤检测可视化方法.震动与冲击，30（12）：7—12.

王东升，朱敏，钟江荣，2003.基于经验统计方法的桥梁震害预测辅助决策系统.世界地震工程，19（3）：117—122.

徐清，2006.信息化桥梁地震安全评估系统.青岛：中国海洋大学.

赵立岩，2006..桥梁抗震管理系统研究.上海：同济大学.

Li X.Y.，Law S.S.，2010.Matrix of the Covariance of Covariance of Acceleration Responses for Damage Detection fromAmbient Vibration Measurements.Mechanical Systems and Signal Processing，24（4）:945—956.

Takens F.，1981.Detecting strange attractors in turbulence.In:Rand D.and Young L.S.（eds.），Dynamical Systems and Turbulence.Springer Lecture Notes in Mathematics，New York，NY:Springer，898:366—381.

Study on Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges

Jiang Hui1，2，3），Wang Lixin1，2，3），Yan Kun1，2，3），Zhao Xianren1，2，3），Ma Hongwei4），Ding Hua5）and Nie Zhenhua4）
1）Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
2）Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
3）Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Guangzhou 510070，China
4）Jinan University，Guangzhou 510632，China
5）Institute of Industry Technology，Guangzhou&Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 511458，China

Online monitoring and evaluation system of seismic safety for long-span bridge includes four aspects of technology:（1）Real-time monitoring technology of strong motion observation array based on B/S architecture；（2）Bridge health diagnostic method based on multi-index information fusion technology；（3）Fast numerical simulation technology and seismic performance evaluation method for bridge structures；（4）Bridge monitoring and evaluation systems integration and visualization system.The system enables integrate real-time collection，transmission，analysis，diagnostics，simulation and evaluation of bridge monitoring data.Differences of dynamic characteristics under initial or good conditions are analyzed and diagnosed continuously，and it can provide references for bridge maintenance and reinforcement.When the bridge suffers vessels impact or earthquakes，security status for the bridge is assessed rapidly and the structural abnormalities are alerted.And the intensity information is also provided after the destruction event.

Long-span bridges；Seismic safety；Health diagnosis；Fast numerical simulation；Online monitoring and evaluation system

广东省重大科技专项项目（2012A080102008）

2015-09-21

姜慧，男，生于1964年。博士，研究员。主要从事地震工程与结构抗震方面的研究。E-mail：jianghui@cea-igp.ac.cn