¿Concepto de monitoreo del estado del puente grande y diseño del sistema de monitoreo?
El monitoreo de salud de grandes puentes se esfuerza por monitorear el comportamiento general de la estructura en tiempo real y evaluar de manera inteligente el estado de la estructura. Al mismo tiempo, la verificación de teorías de diseño y modelos mecánicos de puentes de grandes luces, y la investigación de problemas desconocidos o inciertos en estructuras y entornos estructurales también se están integrando en la connotación de monitoreo del estado de los puentes. Este artículo resume brevemente el estado de la investigación sobre el monitoreo del estado de los puentes en los últimos diez años, explica sistemáticamente el nuevo concepto de monitoreo del estado de la estructura del puente y analiza cuestiones relacionadas en el diseño de sistemas de monitoreo de puentes a gran escala desde la perspectiva del desarrollo de la ingeniería de puentes. con el fin de servir de referencia para el desarrollo de sistemas de seguimiento.
Los logros en el campo de la ingeniería de puentes en el siglo XX no sólo se reflejan en el desarrollo de la tecnología de pretensado, la construcción de puentes portantes de cables de gran luz y la exploración de puentes de luces ultralargas. , pero también en la implementación de control inteligente y control inteligente de estructuras de puentes. Monitorear pensamientos y esfuerzos. En los últimos 20 años, los resultados de la investigación en el campo de la resistencia de los puentes al viento y a los terremotos y el desarrollo de nuevos materiales y nuevas tecnologías han promovido el desarrollo de puentes de larga distancia. Al mismo tiempo, a medida que la gente presta cada vez más atención a las funciones de seguridad, durabilidad y uso normal de puentes grandes e importantes, ha surgido la investigación y el desarrollo de sistemas de monitoreo del estado de los puentes. Dado que los datos de monitoreo de puentes pueden proporcionar información de retroalimentación para verificar modelos de análisis estructural, supuestos de cálculo y métodos de diseño, se pueden utilizar para realizar investigaciones en profundidad sobre cuestiones desconocidas o inciertas de las estructuras de puentes de luces largas y sus entornos, verificar teorías de diseño de puentes y Estructuras de puentes desconocidas y entornos estructurales. La investigación y la investigación sobre el problema amplían la connotación del monitoreo de la salud del puente. Con base en el estado de la investigación sobre el monitoreo de la salud de los puentes y la investigación y el desarrollo de la ingeniería de puentes de grandes luces en los últimos diez años, se expone sistemáticamente la connotación del monitoreo de la salud de los puentes y se discuten cuestiones relacionadas en el diseño de los sistemas de monitoreo.
Primero, el desarrollo y la teoría del sistema de monitoreo de la salud del puente.
1. Sistema de monitoreo
A mediados y finales de la década de 1980, se establecieron uno tras otro varios sistemas de monitoreo del estado del puente. Por ejemplo, en el Reino Unido, se han desplegado sensores en el puente Foyle, un puente continuo de vigas cajón de acero de altura variable y tres tramos con una longitud total de 522 m, para monitorear la vibración, la deflexión y la respuesta a la tensión de la viga principal bajo la acción. de vehículos y cargas de viento durante la fase de operación del puente, y al mismo tiempo monitorear el campo de viento ambiental y temperatura estructural. Este sistema es uno de los primeros sistemas de monitoreo relativamente completos instalados, que permite monitoreo y análisis en tiempo real e intercambio de datos en red. Los puentes típicos para establecer un sistema de control de la salud incluyen el puente atirantado Skarnsundet en Noruega (luz principal de 530 m) [2], el puente atirantado Sunshine Skyway Bridge en los Estados Unidos con una luz principal de 440 m, el puente colgante Great Belt East puente en Dinamarca con una luz principal de 1624 m [3], el puente atirantado de una sola torre de Flintshire es de 194 m [4] y el puente Confederatiot en Canadá. Desde la década de 1990, China también ha establecido sistemas de vigilancia estructural de diferentes escalas en algunos puentes grandes e importantes, como el puente Tsing Ma, el puente Kap Shui Mun y el puente Ting Kau en Hong Kong, el puente Xupu en Shanghai y el río Jiangyin Yangtze. Puente en el continente [6~8].
A juzgar por los objetivos de seguimiento, las funciones y las operaciones del sistema de los sistemas de seguimiento establecidos, estos sistemas de seguimiento tienen las siguientes características:
(1) Generalmente, la transmisión de diversas respuestas de la estructura de medición El dispositivo sensor obtiene varios registros que reflejan el comportamiento de la estructura;
(2) Además de monitorear el estado y el comportamiento de la estructura en sí, también es necesario monitorear las condiciones ambientales (como viento, carga del vehículo, etc.) en el que se encuentra la estructura siendo monitoreado, registrado y analizado al mismo tiempo, se intenta establecer una "huella digital" de la estructura a través de la respuesta dinámica del puente bajo vehículo normal y. cargas de viento y desarrollar tecnología de evaluación de seguridad e integridad estructural en tiempo real;
( 3) Monitorear continua o intermitentemente el estado estructural después de la operación y esforzarse por obtener información estructural continua y completa del puente. Algunos sensores de monitoreo de puentes comienzan a funcionar durante la etapa de construcción del puente para monitorear la calidad de la construcción.
(4) El sistema de monitoreo tiene capacidades de procesamiento, comunicación y recopilación de información rápidas y de gran capacidad, y puede realizar el intercambio de datos en la red.
Estas características diferencian el control del estado de los puentes de grandes luces del proceso tradicional de inspección de puentes.
Además, cabe señalar que el objeto del seguimiento del estado del puente ya no se limita a la propia estructura: también se han incluido en el ámbito del seguimiento a largo plazo las condiciones de trabajo de algunas instalaciones auxiliares importantes (como los puentes atirantados). dispositivos de control de vibraciones [4], etc.). ).
2. Investigación teórica
Durante más de diez años, la investigación sobre la teoría del monitoreo del estado de los puentes se ha centrado principalmente en la evaluación de la integridad estructural y la identificación de daños. Debido a la investigación y aplicación en profundidad de la tecnología de evaluación de la integridad basada en información de vibraciones en el sector aeroespacial, de maquinaria y otros campos, este tipo de tecnología ha sido ampliamente estudiado como el método de evaluación de la integridad más importante en estructuras civiles, además de la tecnología de pruebas no destructivas. Otra razón por la que la gente está trabajando en métodos de evaluación de la integridad basados en mediciones de vibración es que durante la operación del puente, la información sobre la vibración estructural se puede obtener a través de métodos de vibración ambiental, por lo que este método tiene el potencial de monitoreo en tiempo real.
Los métodos de evaluación de la integridad estructural se pueden dividir en tres categorías: métodos de reconocimiento de patrones, métodos de identificación de sistemas y métodos de redes neuronales. Los parámetros modales estructurales se utilizan a menudo como características de huellas dactilares de las estructuras y también son la información de entrada principal para los métodos de identificación de sistemas y los métodos de redes neuronales. Además, los métodos de evaluación basados en modos de deformación estructural, curvatura de deformación y respuesta isostática también muestran sus respectivas capacidades de detección de daños en diversos grados [10]. Sin embargo, aunque algunas técnicas de evaluación de integridad se han aplicado con éxito a algunas estructuras simples, no se pueden aplicar de manera confiable a estructuras complejas. Las principales razones que obstaculizan la aplicación de esta tecnología incluyen: ① Incertidumbre en la estructura y el entorno y la influencia de factores no estructurales; ② Información de medición incompleta (3) Precisión de medición insuficiente y señales de medición ruidosas; la señal de medición no es sensible al daño local de la estructura.
Además, desde la perspectiva de los métodos de evaluación, la evaluación de seguridad actual de puentes de grandes luces sigue básicamente el método de evaluación de clasificación convencional de puentes pequeños y medianos, que es una evaluación cualitativa y superficial basada principalmente sobre la apariencia estructural y el desempeño normal. Evaluación de seguridad principal.
En segundo lugar, el nuevo concepto de monitoreo de la salud del puente.
La connotación básica del monitoreo de la salud del puente es monitorear y evaluar el estado estructural del puente en condiciones climáticas especiales, de tráfico o graves. anomalías, bajo las condiciones operativas del puente, activa señales de alerta temprana para el puente y proporciona base y orientación para las decisiones de gestión y mantenimiento del puente. Para ello, el sistema de monitorización monitoriza los siguientes aspectos:
El estado físico y mecánico de la estructura del puente en condiciones ambientales y de tráfico normales;
Los componentes no estructurales importantes de la puente (con soportes) y auxiliares La condición operativa de la instalación (como elementos de control de vibraciones);
La durabilidad de los miembros estructurales;
Las condiciones ambientales del puente;
A diferencia de las tecnologías de detección tradicionales, el monitoreo del estado del puente a gran escala no solo requiere capacidades de comunicación y recopilación de información rápidas y de gran capacidad, sino que también se esfuerza por monitorear el comportamiento general de la estructura en tiempo real y evaluar de manera inteligente. el estado de la estructura.
Sin embargo, el monitoreo del estado estructural del puente es más que solo monitorear y evaluar el estado de la estructura. Debido a las características mecánicas y estructurales de los grandes puentes (especialmente puentes atirantados y puentes colgantes) y el entorno específico en el que se encuentran, es muy difícil comprender y predecir completamente las propiedades mecánicas y el comportamiento de la estructura durante la construcción del puente. etapa de diseño. El diseño de puentes atirantados de luces largas se basa en análisis teóricos, y el rendimiento dinámico del puente se predice mediante pruebas de simulación en túnel de viento y mesa vibratoria para verificar su seguridad dinámica. Sin embargo, el análisis teórico estructural a menudo se basa en modelos discretos de elementos finitos idealizados y el análisis suele basarse en muchos supuestos. La simulación del entorno del viento del puente y la vibración del suelo en pruebas de túnel de viento o mesa vibratoria pueden no ser completamente consistentes con el entorno real del sitio del puente. Por lo tanto, es de gran importancia verificar el modelo teórico y los supuestos de cálculo del puente a través de los comportamientos dinámicos y estáticos de la estructura real obtenidos a través del monitoreo del estado del puente. De hecho, al establecer sistemas de monitoreo de salud para algunos puentes importantes en el extranjero, enfatizan el uso de información de monitoreo para verificar el diseño de la estructura.
La importancia de gran alcance de la retroalimentación de la información de monitoreo del estado de los puentes en el diseño estructural es que se pueden mejorar los métodos de diseño estructural y las especificaciones y estándares correspondientes, además, el comportamiento real de los puentes en diversas condiciones de tráfico y entornos naturales; Comprender y modelar adecuadamente las cargas ambientales son clave para realizar puentes en el futuro. "Diseño virtual".
También cabe señalar que el seguimiento del estado de los puentes no sólo aportará sistemas de seguimiento y reflexiones sobre diseños de puentes específicos, sino que también se convertirá en un "laboratorio vivo" para la investigación de puentes. Aunque los resultados de la investigación en el campo de la resistencia al viento y a los terremotos de los puentes y la aparición de nuevos materiales y nuevas tecnologías continúan promoviendo el desarrollo de puentes, todavía existen muchas incógnitas y suposiciones en el diseño de puentes de luces largas, y también hay muchas Cuestiones que deben estudiarse en el diseño de puentes de luces ultralargas. Al mismo tiempo, la investigación y el desarrollo en profundidad de la tecnología de evaluación del estado y control de la estructura de los puentes también requieren pruebas e investigaciones estructurales en el campo. El monitoreo del estado de los puentes brinda nuevas oportunidades para el estudio de problemas desconocidos en la ingeniería de puentes y puentes de luces ultralargas. La información obtenida de la estructura del puente y su entorno operativo no sólo complementa la investigación teórica y las investigaciones de laboratorio, sino que también proporciona la información más realista sobre el comportamiento estructural y las leyes ambientales. Además, el desarrollo y la aplicación de tecnologías de evaluación de la salud y control de vibraciones de los puentes requerirán pruebas e investigaciones de campo.
En resumen, el monitoreo del estado de los puentes grandes no es solo una nueva tecnología para la detección y evaluación estructural de puentes tradicionales, sino que también tiene la importancia del monitoreo y evaluación estructural, la verificación del diseño y la investigación y el desarrollo.
En tercer lugar, el diseño del sistema de seguimiento de la salud
1. Estándares de diseño del sistema de seguimiento
Se puede ver en la disposición de los puntos de medición del Dos grandes sistemas de monitoreo del estado del puente. Se puede ver que existen grandes diferencias en los elementos de monitoreo y la escala de los dos sistemas de monitoreo. Además de factores ambientales como el tipo de puente y su ubicación, esta diferencia se debe principalmente a la inversión en cada sistema de monitoreo y/o al propósito de establecer cada sistema (o los requisitos funcionales del sistema). Por lo tanto, el diseño de sistemas de monitoreo de puentes en realidad sigue algunas pautas, consciente o inconscientemente.
Obviamente, el diseño de un sistema de monitoreo debe considerar primero el propósito y la función del sistema. Los tres aspectos del monitoreo del estado del puente mencionados anteriormente también son el propósito y la función del monitoreo del estado del puente. Para un puente específico, el propósito de establecer un sistema de monitoreo de la salud puede ser el monitoreo y evaluación del puente, la verificación del diseño o incluso la investigación y el desarrollo, también pueden ser dos o incluso todos; Una vez que se determina el propósito de establecer el sistema, se pueden determinar básicamente los elementos de monitoreo del sistema. Además, la escala de cada proyecto de monitoreo en el sistema de monitoreo y la determinación de los instrumentos de detección y equipos de comunicación utilizados deben considerar los límites de inversión. Por lo tanto, al diseñar un sistema de monitoreo, es necesario realizar un análisis de costo-beneficio de la solución del sistema de monitoreo. El análisis de costos y beneficios es el requisito previo para establecer un sistema de seguimiento eficiente y razonable.
Según los requisitos funcionales y el análisis de costo-beneficio, los proyectos de monitoreo y los puntos de medición se pueden diseñar al rango requerido, y las instalaciones de hardware del sistema se pueden seleccionar e instalar de manera óptima. Por lo tanto, los requisitos funcionales y el análisis costo-beneficio son dos criterios para diseñar un sistema de monitoreo de la salud de un puente.
2. Proyectos de seguimiento
Diferentes objetivos funcionales requieren diferentes proyectos de seguimiento. La mayoría de los proyectos de seguimiento de sistemas de seguimiento de puentes de grandes luces se centran en el seguimiento y evaluación estructural, y algunos también tienen en cuenta la verificación del diseño estructural e incluso algunos proyectos de seguimiento se centran en la investigación de los problemas de los puentes [5]. La literatura [12] propuso un esquema de monitoreo representativo para el monitoreo y evaluación de la condición de puentes atirantados basado en una gran cantidad de investigaciones de enfermedades y análisis de detección de muchos puentes atirantados en operación en China.
Si el sistema de monitoreo tiene la función de verificación del diseño estructural, necesita obtener más información requerida para la identificación del sistema estructural. Por lo tanto, para puentes de luces largas con soportes restantes, se deben disponer más sensores en las torres del puente, vigas de refuerzo y cables/cables para obtener un comportamiento dinámico estructural más detallado y verificar el modelo de análisis dinámico y la predicción de respuesta en el diseño estructural. Además, se deben instalar sensores en soportes, topes y algunas piezas de conexión para obtener información que refleje su transmisión de fuerza y limitaciones.
Actualmente, uno de los objetivos de algunos sistemas de monitorización es desarrollar técnicas de evaluación de la integridad estructural y la seguridad. Aunque los sistemas de seguimiento que incorporan la investigación sobre cuestiones de puentes son raros, algunos sistemas también tienen proyectos de seguimiento dedicados a la investigación. Los proyectos de seguimiento relacionados con investigaciones teóricas podrán determinarse según la naturaleza del problema de investigación a estudiar. A juzgar por el desarrollo actual de la ingeniería de puentes, las siguientes cuestiones se pueden estudiar o demostrar más a fondo con la ayuda del monitoreo del estado del puente.
Resistencia al viento: incluye observación de las características del campo de viento, comportamiento de la estructura en campos de viento naturales y estabilidad de la resistencia al viento.
Resistencia sísmica: incluye investigación sobre los cambios espaciotemporales del movimiento del suelo en varios sitios, la interacción suelo-estructura, el efecto de las ondas viajeras y el impacto de la excitación multipunto en la respuesta estructural. Establecer un modelo de fuerza restauradora mediante el monitoreo de la deformación, la deformación y la aceleración de la parte superior e inferior del muelle es de gran importancia para el análisis sísmico de puentes.
El comportamiento general de la estructura: incluyendo el estudio de las características no lineales de la estructura bajo la acción de fuertes vientos y fuertes terremotos, y el impacto de los cambios en las condiciones ambientales del sitio del puente sobre la dinámica. Características y estáticas (distribución de fuerzas internas y deformación) de la estructura. Esto es muy importante para desarrollar métodos de evaluación holísticos basados en datos de seguimiento.
Problemas estructurales locales: como límites, condiciones de conexión, problemas de fatiga como fatiga de soldadura de vigas de acero y mecanismos de falla de las superficies de juntas de vigas compuestas (incluidas claves de corte), etc. Los mecanismos de vibración, amortiguación y falla local de cables y brazos en puentes portadores de cables también merecen mayor observación y estudio.
Durabilidad: Todavía existen muchas cuestiones relativas a la durabilidad de las estructuras de puentes que requieren más estudios. Se debe prestar especial atención a la corrosión y el óxido en cables y plumas.
Cimentación: El uso de pilotes de gran diámetro también trae algunos problemas de diseño. No es razonable aplicar directamente el método de cálculo original a pilotes de diámetro medio. También es necesario que el departamento de diseño investigue las leyes de deformación de pilotes de gran diámetro y estudie la capacidad de carga de los pilotes con la ayuda de sistemas de monitoreo de puentes a gran escala.
Cuatro. Resumen
(1) El monitoreo del estado estructural del puente no es solo una simple mejora de la tecnología de detección de puentes tradicional, sino que utiliza tecnología moderna de detección y comunicación para monitorear en tiempo real la estructura del puente bajo diversas condiciones ambientales durante el proceso. fase de operación, respuesta y comportamiento, obtener diversa información que refleja el estado estructural y los factores ambientales, analizando así la salud estructural y evaluando la confiabilidad estructural, y proporcionando una base científica para la gestión de puentes y las decisiones de mantenimiento. Al mismo tiempo, el monitoreo del estado de las estructuras de puentes grandes es de gran importancia para verificar y mejorar las teorías y métodos de diseño estructural, desarrollar y realizar diversas tecnologías de control estructural e investigar en profundidad problemas desconocidos de las estructuras de puentes grandes. Por tanto, el seguimiento de la salud abre un nuevo espacio para el desarrollo de la ingeniería de puentes.
(2) La importancia del monitoreo del estado de los puentes grandes refleja las preocupaciones de las personas involucradas en la gestión del mantenimiento de puentes, la consulta de diseño y la investigación teórica. El diseño de un sistema de seguimiento debe basarse en requisitos funcionales y en un análisis costo-beneficio. Además, se debe optimizar y analizar el diseño del sistema de monitoreo, y se deben considerar cuestiones de comunicación que son muy importantes en la implementación del sistema.
(3) Para puentes atirantados y puentes colgantes de luces largas, la evaluación de la integridad es solo una parte de la evaluación del estado de seguridad estructural, y el estado de seguridad de la estructura del puente no puede explicarse únicamente mediante la evaluación de la integridad. Al mismo tiempo, las características mecánicas de los puentes de grandes luces determinan que sus conceptos y métodos de evaluación de la seguridad sean diferentes de los de los puentes convencionales de tamaño pequeño y mediano.
(4) El propósito de la evaluación del estado de seguridad de las estructuras de puentes de gran luz es controlar los riesgos operativos del puente y apoyar las decisiones de reducción de desastres. Por lo tanto, combinado con la evaluación de seguridad del sistema de monitoreo de la salud del puente, debería ser posible evaluar el estado básico y el comportamiento estructural de la estructura del puente a través de los datos de monitoreo obtenidos. Identifique daños estructurales y cambios en partes clave regularmente o después de eventos accidentales (como terremotos) y evalúe objetiva y cuantitativamente la capacidad de carga, la resistencia al viento y a los terremotos de la estructura del puente en cada etapa de su ciclo de vida.
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