Concepto de monitoreo de salud y diseño del sistema de monitoreo de grandes puentes.
1. Breve descripción del sistema de monitoreo de la salud de los puentes y desarrollo teórico
1. Sistema de monitoreo
A mediados y finales de la década de 1980, los sistemas de monitoreo de la salud de los puentes de varios tamaños comenzaron a establecerse. Por ejemplo, el Reino Unido ha instalado sensores en el puente Foyle, un puente continuo de vigas cajón de acero de tres tramos con una longitud total de 522 metros, para controlar la vibración, la deflexión y la respuesta a la tensión de la viga principal bajo la acción de los vehículos y el viento. cargas durante la fase de operación del puente, así como para monitorear el viento ambiental y el campo de temperatura de la estructura. Este sistema es uno de los primeros sistemas de monitoreo relativamente completos instalados, que realiza monitoreo y análisis en tiempo real y red de datos****. Los puentes típicos que han establecido sistemas de monitoreo de salud incluyen el puente atirantado Skarnsundet en Noruega (tramo principal de 530 metros) [2], el puente atirantado Sunshine Skyway Bridge en los Estados Unidos (tramo principal de 440 metros) y el puente Dadai East. Puente colgante en Dinamarca con un tramo principal de 1.624 metros [3], puente atirantado de una sola torre de Flint Hill en Dinamarca con un tramo principal de 194 metros [3], puente atirantado de una sola torre de Flinthill en el Reino Unido con un tramo principal. de 194 metros [4], Puente Confederado de Canadá [5] . Desde la década de 1990, China también ha establecido sistemas de monitoreo estructural de diferentes escalas en algunos grandes puentes importantes, como el puente Tsing Ma, el puente Kap Shui Mun y el puente Ting Kau en Hong Kong, y el puente Shanghai Xupu y el puente del río Jiangyin Yangtze. en el continente, etc.[6~8].
A juzgar por los objetivos de monitoreo, las funciones y el funcionamiento del sistema de los sistemas de monitoreo establecidos, estos sistemas de monitoreo tienen las siguientes características similares:
(1) Generalmente compuestos por sensores El equipo mide varias respuestas de la estructura y obtiene varios registros que reflejan el comportamiento de la estructura;
(2) Además de monitorear el estado y el comportamiento de la estructura misma, también monitorea y registra la intensidad de la Análisis de las condiciones ambientales de la estructura (tales como: temperatura, humedad de la estructura, etc.);
(3) Además de monitorear el estado y comportamiento de la estructura en sí, también monitorea y registra las intensidad de las condiciones ambientales de la estructura (tales como: la temperatura de la estructura, humedad, etc.);
(4) Además de monitorear el estado y comportamiento de la estructura en sí, también monitorea , registra y analiza la intensidad de las condiciones ambientales de la estructura (tales como: humedad de la estructura, humedad, etc.). ej., viento, cargas de vehículos, etc.); al mismo tiempo, intentar establecer una "huella digital" de la estructura a través de la respuesta dinámica del puente a las cargas normales de vehículos y viento, y mediante el desarrollo de tecnología para la evaluación en tiempo real de las cargas estructurales. integridad y seguridad;
(3) Monitorear continua o intermitentemente el estado de la estructura del puente después de su apertura al tráfico, y esforzarse por obtener información continua y completa de la estructura 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 realiza una red de datos *** * Disfrutar.
Estas características hacen que el monitoreo del estado de los puentes de gran luz sea diferente del proceso tradicional de inspección de puentes. También cabe señalar que el objeto del control del estado del puente ya no se limita a la estructura en sí, y el estado de funcionamiento de algunas instalaciones auxiliares importantes también se ha incluido en el alcance del control a largo plazo (como la vibración de los atirantados). dispositivos de control [4], etc.).
2. Investigación teórica
Durante más de diez años, la investigación teórica sobre el 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, esta tecnología ha sido ampliamente utilizada y estudiada como el método de evaluación de la integridad estructural civil más importante, además de la tecnología de pruebas no destructivas"1 , 7,9~11". Otra razón por la que los métodos de evaluación de integridad basados en mediciones de vibraciones han atraído la atención es que la información sobre vibraciones estructurales se puede obtener a través de métodos de vibración ambiental durante la operación del puente, 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 principales: métodos de identificación modal, métodos de identificación de sistemas y métodos de redes neuronales "1". Los parámetros modales estructurales se utilizan a menudo como características de huellas dactilares de la estructura y son la principal información de entrada para los métodos de identificación de sistemas y métodos de redes neuronales. Además, los métodos de evaluación basados en modos de deformación estructural, curvatura de deformación y otras respuestas estáticas también han mostrado sus respectivas capacidades de detección en diversos grados [10]. Sin embargo, aunque algunas técnicas de evaluación holística han tenido éxito en algunas estructuras simples, su aplicación en estructuras complejas no es confiable. Las principales razones que obstaculizan la aplicación práctica de esta tecnología incluyen (i) incertidumbre en la estructura y el entorno y la influencia de factores no estructurales; (ii) información de medición incompleta; (iii) precisión de medición insuficiente y ruido de la señal de medición; La estructura del puente tiene una gran redundancia y la señal de medición no es sensible al daño estructural local.
Además, desde la perspectiva de los métodos de evaluación, la evaluación de seguridad actual de puentes de grandes luces todavía utiliza básicamente el método tradicional de evaluación de clasificación de puentes pequeños y medianos, que es una evaluación cualitativa basada en estructuras. apariencia y desempeño normal, evaluación de seguridad de la superficie.
2. Nuevo concepto de monitoreo de la salud del puente
La connotación básica del monitoreo de la salud del puente es monitorear y evaluar la condición de la estructura del puente, y evaluar la condición del puente bajo Condiciones climáticas especiales, condiciones de tráfico o condiciones de operación del puente. Las señales de alerta temprana se activan cuando ocurren anomalías graves, proporcionando base y orientación para las decisiones de mantenimiento y gestión del puente. Para ello, el sistema de monitoreo monitorea principalmente los siguientes aspectos:
Las condiciones físicas y mecánicas de la estructura del puente que opera en condiciones ambientales y de tráfico normales;
Los componentes no estructurales importantes del puente (más (soportes) e instalaciones auxiliares (como elementos de control de vibraciones);
Durabilidad de los componentes estructurales;
Condiciones ambientales del puente;
etc..
A diferencia de la tecnología de prueba tradicional, el monitoreo del estado de los puentes grandes no solo requiere capacidades de comunicación y recopilación de información rápidas y de gran capacidad durante las pruebas, sino que también se esfuerza por monitorear el comportamiento general de la estructura en tiempo real e inteligente. evaluación del estado.
Sin embargo, el monitoreo de la salud estructural de un puente no se trata solo de monitoreo y evaluación del estado estructural. Debido a las características mecánicas y estructurales de los puentes grandes (especialmente puentes atirantados y puentes colgantes) y el entorno especial en el que se encuentran, es difícil comprender y predecir completamente las propiedades mecánicas y el comportamiento de la estructura durante el diseño del puente. escenario. El diseño de puentes atirantados de grandes luces se basa principalmente en análisis teóricos y simulaciones en túnel de viento y mesa vibratoria para predecir el comportamiento dinámico del puente y verificar su seguridad dinámica. Sin embargo, el análisis estructural teórico suele basarse en modelos discretos de elementos finitos idealizados y, a menudo, está restringido por muchos supuestos. La simulación del entorno del viento y el movimiento del suelo del puente en pruebas de túnel de viento o mesa vibratoria puede no coincidir completamente con el entorno del puente real. Por lo tanto, es de gran importancia verificar los modelos teóricos y los supuestos computacionales de los puentes a través de los comportamientos dinámicos y estáticos de las estructuras reales 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 mayor alcance de retroalimentar la información de monitoreo del estado de los puentes en el diseño estructural es que puede mejorar los métodos de diseño estructural y las especificaciones y estándares correspondientes; comprender el verdadero comportamiento de los puentes en diversas condiciones de tráfico y entornos naturales; y El modelado razonable de cargas ambientales es la base para el diseño de puentes virtuales en el futuro.
También es importante señalar que el seguimiento del estado de los puentes aportará algo más que un simple sistema de seguimiento y una reflexión sobre el diseño de un puente específico: puede y debe convertirse en un "laboratorio vivo" para la investigación de puentes. Aunque los resultados de la investigación en los campos de la resistencia al viento y a los terremotos de los puentes y la continua aparición de nuevos materiales y nuevos procesos continúan promoviendo el desarrollo de puentes, todavía existen muchas incógnitas y suposiciones en el diseño de puentes de grandes luces, y hay 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 estudiar problemas desconocidos en la ingeniería de puentes y puentes de luces ultralargas. La información obtenida de las estructuras de puentes en funcionamiento y sus entornos 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 puentes requerirán pruebas e investigaciones de campo.
En resumen, el monitoreo del estado de los grandes puentes no es solo una nueva tecnología de detección y evaluación estructural de puentes tradicionales, sino que también tiene tres funciones: monitoreo y evaluación estructural, verificación del diseño e investigación y desarrollo.
III. Diseño del sistema de monitoreo de salud
1. Criterios de diseño del sistema de monitoreo
Se puede ver en la disposición de los puntos de medición de los dos grandes sistemas de monitoreo de salud del puente. que los dos Existen grandes diferencias en los elementos de seguimiento y la escala de los sistemas de seguimiento. Además de los factores ambientales del tipo de puente y la ubicación del puente, esta diferencia se debe principalmente al monto de inversión de cada sistema de monitoreo y/o al propósito de establecer cada sistema (o los requisitos funcionales del sistema). Por lo tanto, el diseño del sistema de monitoreo de puentes en realidad sigue ciertas pautas de manera intencional o no.
Evidentemente, el diseño de un sistema de seguimiento debe considerar primero el propósito y la función del establecimiento del sistema. Los tres aspectos del monitoreo del estado del puente descritos en la sección anterior también son el propósito y la función del monitoreo del estado del puente. Para un determinado puente, el propósito de establecer un sistema de monitoreo de la salud puede ser el monitoreo y la evaluación del puente, la verificación del diseño o incluso fines de investigación y desarrollo; también pueden ser dos propósitos, o incluso los tres propósitos; Una vez que se determina el propósito del sistema, básicamente se pueden determinar los elementos de monitoreo del sistema. Además, la escala de cada proyecto de monitoreo en el sistema de monitoreo, la determinación de los instrumentos de detección y equipos de comunicación utilizados, etc., deben considerar los límites de inversión. Por lo tanto, al diseñar un sistema de monitoreo, se debe realizar un análisis de costo-beneficio del proyecto del sistema de monitoreo. El análisis de costos y beneficios es el requisito previo para establecer un sistema de seguimiento eficiente y razonable.
Con base en los requisitos funcionales y el análisis de costo-beneficio, la cantidad de elementos de monitoreo y puntos de medición se puede diseñar según el rango requerido, y el hardware del sistema se puede seleccionar e instalar de manera estandarizada. Por lo tanto, los requisitos funcionales y el análisis costo-beneficio son los dos criterios principales para diseñar un sistema de monitoreo de la salud de un puente.
2. Programa de seguimiento
Diferentes objetivos funcionales requieren diferentes programas de seguimiento. La gran mayoría de los planes de seguimiento para sistemas de seguimiento de puentes de grandes luces se basan en el seguimiento y evaluación estructural, y algunos también tienen en cuenta la verificación del diseño estructural. Algunos planes de seguimiento incluso están destinados a estudiar los problemas de los puentes [5]. La literatura [12] realizó una gran cantidad de investigaciones de enfermedades y análisis de detección en muchos puentes atirantados que operan en China, y propuso un esquema de monitoreo representativo adecuado para el monitoreo y evaluación de la condición de puentes atirantados.
Si se considera que el sistema de seguimiento tiene la función de verificación del diseño estructural, es necesario obtener más información necesaria para la calificación del sistema estructural. Por lo tanto, para puentes de gran luz con apoyo residual, se debe instalar una gran cantidad de sensores en torres, vigas de refuerzo y cables/tirantes para obtener un comportamiento dinámico estructural más detallado y validar modelos de análisis dinámico y predicciones de respuesta para el diseño estructural. Además, se deben instalar sensores en soportes, miembros y determinadas conexiones para obtener información que refleje su transmisión de fuerzas y limitaciones.
Actualmente, uno de los objetivos de algunos sistemas de monitorización es desarrollar técnicas de evaluación de la integridad y seguridad estructural. Aunque existen pocos sistemas de monitoreo integrados con el estudio de los problemas de los puentes, existen algunos sistemas con programas de monitoreo diseñados específicamente para la investigación. Los proyectos de seguimiento relacionados con la investigación teórica se pueden determinar en función de la naturaleza del problema que se estudia. A juzgar por el estado actual de desarrollo de la ingeniería de puentes, las siguientes cuestiones pueden estudiarse o demostrarse 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 del viento.
Aspectos sísmicos: incluido el estudio de los cambios espaciotemporales del movimiento del suelo en diferentes 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 en la parte superior e inferior del pilar del puente es de gran importancia para el análisis sísmico del puente.
El comportamiento general de la estructura: incluyendo el estudio de las características no lineales de la estructura en fuertes vientos, fuertes terremotos y cambios en las condiciones ambientales en el sitio del puente sobre las características dinámicas y el estado estático de la estructura. (distribución de fuerzas internas, deformación), etc. Esto es importante para desarrollar métodos de evaluación holísticos basados en datos de seguimiento.
Problemas locales estructurales: como condiciones límite y de unión, fatiga de soldadura de vigas de acero y otros problemas de fatiga, mecanismo de falla de la superficie de unión de la viga adherida (incluida la unión por corte), etc. Los mecanismos de vibración, amortiguación y daño local de los tirantes y cables de puentes atirantados también merecen una mayor observación e investigación.
Cuestiones de durabilidad: Todavía quedan muchas cuestiones relativas a la durabilidad de las estructuras de puentes que deben estudiarse en profundidad. El óxido y la corrosión de los cables (tirantes) y las plumas requieren una atención especial.
Cimentación: El uso de pilotes de gran diámetro también trae algunos problemas de diseño. No es razonable aplicar directamente el método de cálculo original de pilotes de diámetro medio. También es necesario que el departamento de diseño estudie las leyes de deformación de pilotes de gran diámetro con la ayuda de sistemas de monitoreo de puentes a gran escala y estudie la capacidad de carga de los pilotes.
4. 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 el funcionamiento del puente en tiempo real. Organiza la respuesta estructural y el comportamiento bajo diversas condiciones ambientales, obtiene diversa información que refleja las condiciones estructurales y los factores ambientales, analizando así la salud estructural, evaluando la confiabilidad estructural y proporcionando una base científica para la gestión de puentes y las decisiones de mantenimiento. Puede analizar el estado de la estructura, evaluar la confiabilidad de la estructura y proporcionar una base científica para las decisiones de gestión y mantenimiento de puentes. Al mismo tiempo, el monitoreo del estado estructural de los puentes a gran escala es de gran importancia para verificar y mejorar las teorías y métodos de diseño estructural, desarrollar e implementar diversas tecnologías de control estructural e investigar en profundidad problemas desconocidos de las estructuras de puentes a gran escala. Por tanto, el seguimiento de la salud abre un nuevo espacio para el desarrollo de la ingeniería de puentes.
(2) La importancia de los tres aspectos del monitoreo del estado de los grandes puentes refleja las preocupaciones de las personas involucradas en diferentes campos, como la gestión del mantenimiento de puentes, la consulta de diseño y la investigación teórica. El diseño del sistema de seguimiento debe basarse en requisitos funcionales y en un análisis costo-beneficio. Además, el diseño del sistema de monitoreo debe analizarse mediante la optimización de los puntos de distribución y tener en cuenta las cuestiones de comunicación muy importantes durante la implementación del sistema.
(3) Para puentes atirantados y puentes colgantes de luces largas, la evaluación de integridad es solo una parte de la evaluación del estado de seguridad estructural, y el estado de seguridad de la estructura del puente no se puede explicar a través de la integridad. evaluación sola. 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 tradicionales de tamaño pequeño y mediano.
(4) El propósito de la evaluación de la seguridad de las estructuras de puentes de gran luz es controlar los riesgos operativos del puente y brindar apoyo para 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. Los daños estructurales y los cambios en áreas críticas se pueden identificar de forma regular o después de eventos esporádicos (como terremotos), y se puede realizar una evaluación objetiva y cuantitativa de la capacidad de carga, el viento y la resistencia sísmica de la estructura del puente. Etapas del ciclo de vida del puente.