為橋梁健康把脈

Author(s):
Bernard Basile - Advitam, Inc.

Industry:
Process Industries

Products:
PXI/CompactPCI,

The Challenge:
開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量和確定Rion-Antirion大橋在正常工作下、大風(fēng)作用下和地震情況時(shí)的狀態(tài)。

The Solution:
應(yīng)用PAC 對(duì)東海大橋以及Rion-Antirion 大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

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東海大橋應(yīng)用NI 的GPS 同步解決方案同步各個(gè)分布式機(jī)站

近年來(lái)，NI產(chǎn)品在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有越來(lái)越多的應(yīng)用。本文選取了我國(guó)東海大橋和希臘Rion-Antirion大橋的案例，以點(diǎn)代面地展現(xiàn)了NI 產(chǎn)品在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。東海大橋是我國(guó)第一座外?？绾４髽颍L(zhǎng)32.5 公里；希臘的Rion-Antirion 大橋全長(zhǎng)2883 米，通過(guò)四座斜拉塔支撐起長(zhǎng)度居世界第二的斜拉橋面。這兩座跨海橋梁都成功運(yùn)用了NI 的PAC 平臺(tái)，以多機(jī)站方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)與工程技術(shù)水平的發(fā)展，同時(shí)為了滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，世界上越來(lái)越多的地區(qū)開(kāi)始興修大型橋梁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，僅僅橫跨長(zhǎng)江兩岸的特大橋就有60 余座，并且出現(xiàn)了多座已建成、在建或處于立項(xiàng)階段的跨海大橋，如東海大橋、杭州灣大橋、虎門(mén)大橋等。這些橋梁設(shè)施不但要抵抗海水江水的沖擊和腐蝕、地震臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害，還要經(jīng)受各種交通工具對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成的緩慢損害。

2007 年8 月到9 月的短短兩個(gè)月內(nèi)，就在中國(guó)、美國(guó)、越南等地發(fā)生了四起重大大橋坍塌事故，造成了無(wú)法彌補(bǔ)的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)了各國(guó)政府和社會(huì)對(duì)橋梁安全的高度重視。那么，為了避免事故再次發(fā)生，可以做些什么呢？或許我們能從我國(guó)東海大橋和希臘Rion-Antirion大橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲得一些啟發(fā)。

為東海大橋量身定制“體檢方案”

建成于2005 年的東海大橋是我國(guó)第一座外海跨海大橋，全長(zhǎng)32.5 公里，從上海南匯區(qū)蘆潮港跨越杭州灣北部海域到達(dá)浙江嵊泗群島的小洋山島。該橋擔(dān)負(fù)著連接上海市區(qū)與深水港樞紐的重任，因此需要對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性對(duì)于橋梁的評(píng)估和研究尤為重要。然而，要全面監(jiān)測(cè)一座超過(guò)30 公里的特大橋梁，不僅需要在大橋上多個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還需要在每個(gè)位置上采集不同的參數(shù)，如變形、應(yīng)力、溫度、沉降等，因此整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要成百上千個(gè)采集通道，這是傳統(tǒng)的測(cè)試儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而且由于橋梁結(jié)構(gòu)特殊，構(gòu)造范圍廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散在各處，很多監(jiān)測(cè)項(xiàng)目又具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，如地震、臺(tái)風(fēng)、交通事故等，因此各部位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要非常準(zhǔn)確的時(shí)間同步，一旦出現(xiàn)微小偏差，會(huì)嚴(yán)重影響橋梁健康的研究分析。

東海大橋應(yīng)用NI 的GPS 同步解決方案同步各個(gè)分布式機(jī)站

令人欣喜的是，NI PXI平臺(tái)和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡的組合非常輕松地解決了通道數(shù)方面的難題，在一個(gè)PXI機(jī)箱中就可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)150個(gè)通道的采集，通過(guò)為每個(gè)工作站配備一個(gè)PXI 機(jī)箱，可以很好地滿足全橋14 個(gè)工作站的通道需求。為了實(shí)現(xiàn)同步，工程師們采用了NI 基于GPS 信號(hào)的同步解決方案。GPS除了可用于全球定位之外，還會(huì)不斷發(fā)出精確的時(shí)間信號(hào)。通過(guò)接收該信號(hào)，每個(gè)工作站的PXI 采集平臺(tái)就會(huì)將這個(gè)信號(hào)作為參考時(shí)鐘，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行就好像擁有了一個(gè)“心臟”一樣，達(dá)到多機(jī)站之間同步的要求。在此硬件基礎(chǔ)上，工程師運(yùn)用LabVIEW 及相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)包設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了整個(gè)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為東海大橋量身定制了一套實(shí)時(shí)的“體檢方案”，可以及時(shí)獲知橋梁的健康狀況，對(duì)各種突發(fā)事件做出響應(yīng)，以便進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)工作，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

該系統(tǒng)目前已經(jīng)全部開(kāi)發(fā)完成并正式開(kāi)始運(yùn)行，對(duì)東海大橋的健康安全起著至關(guān)重要的作用，得到了業(yè)主及相關(guān)橋梁研究人員的肯定。

NI 為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)提供全方位軟硬件支持

無(wú)獨(dú)有偶，于2004 年落成的希臘Rion-Antirion 大橋也采用了NI PXI 機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。該橋全長(zhǎng)2883 米，跨越柯林斯海灣連接了伯羅奔尼撒半島和巴爾干大陸。大橋采用鋼索斜拉結(jié)構(gòu)，具有四個(gè)斜拉塔，撐起了世界第二長(zhǎng)斜拉橋面（僅次于法國(guó)的Millau 公路橋）。法國(guó)Advitam 公司在四個(gè)斜拉塔下分別放置了一個(gè)PXI/SCXI 混合機(jī)箱，獲取各種物理參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)。四個(gè)機(jī)箱通過(guò)光纖以太網(wǎng)連至大橋營(yíng)運(yùn)大樓內(nèi)的PC 機(jī)。由于這套系統(tǒng)在Rion-Antirion 大橋上的成功應(yīng)用，Millau公路橋也將建設(shè)一套類似的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。事實(shí)上，除了PXI 平臺(tái)，NI PAC 家族的CompactRIO 和Compact FieldPoint 也很適合用于橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，由于它們更加小巧堅(jiān)固，成本也更低，近年來(lái)的應(yīng)用越來(lái)越多。在軟件方面，基于LabVIEW 平臺(tái)，NI 提供了聲音與振動(dòng)工具包等一系列開(kāi)發(fā)工具，為土木與結(jié)構(gòu)工程師的工作帶來(lái)便利。

希臘Rion-Antirion 大橋采用PXI-SCXI 混合機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

除了橋梁健康監(jiān)測(cè)以外，類似的系統(tǒng)也完全適用于其他一些大型結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的健康監(jiān)測(cè)。NI 成熟的多機(jī)箱同步解決方案對(duì)于大型結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的分布式監(jiān)測(cè)，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

就像為了身體健康，我們需要定期去體檢一樣，橋梁的健康監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防事故的發(fā)生以及延長(zhǎng)橋梁壽命有著舉足輕重的作用。NI PAC 平臺(tái)幫助建筑工程師們高效地搭建了東海大橋和Rion-Antirion 大橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為橋梁健康把脈，從而樹(shù)立了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)。