¿Aplicación del monitoreo de salud en la ingeniería de puentes?
Como una de las cuatro civilizaciones antiguas, China tiene una cultura larga y espléndida. En el campo de la ingeniería de puentes, durante las dinastías Zhou y Qin en mi país, había básicamente tres tipos de puentes: vigas, cables y flotantes; durante la dinastía Han, la construcción de puentes de caballetes era el enfoque principal; Durante las dinastías Sui y Tang, la tecnología se volvió cada vez más madura y alcanzó un salto. Durante la dinastía Song, estuvo completamente desarrollada y a gran escala; durante las dinastías Yuan, Ming y Qing, se volvió cada vez más próspera y la tecnología comenzó a quedarse atrás a mediados y finales de la dinastía Qing. En comparación con el nivel mundial al mismo tiempo, China ha estado en el nivel avanzado del mundo durante un largo período histórico, construyó innumerables puentes y tuvo una gran cantidad de excelentes obras transmitidas de generación en generación.
El puente Zhaozhou, construido entre 605 y 616, no sólo es el puente de arco de piedra hueco más antiguo y mejor conservado de China, sino también del mundo. Ha tenido un profundo impacto en la construcción de puentes de generaciones posteriores. en el mundo. Al otro lado del río Weihe en el condado de Zhao, hay un puente de piedra en forma de arco de un solo orificio con hombros abiertos y grandes arcos superpuestos a pequeños arcos en ambos extremos, que se utiliza para desviar el agua. Consta de 28 arcos de piedra dispuestos uno al lado del otro longitudinalmente. Su estructura arquitectónica es única y ha sido conocida como "la mejor del mundo" desde la antigüedad. En 1991, el Puente Zhaozhou fue seleccionado como el duodécimo "Proyecto Internacional de Ingeniería Civil" del mundo por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles. El puente Anping tiene la reputación de ser "el puente más largo del mundo". Fue construido durante la dinastía Song del Sur hace más de 800 años, con una longitud total de más de 2.000 metros. No sólo es el puente de vigas de piedra más largo de China, sino también el puente de vigas de piedra más largo del mundo. También está el Puente Marco Polo, que ocupa el primer lugar entre los tres puentes antiguos más famosos de China. el puente Luoyang (también conocido como puente Wan'an), el primero en utilizar cimientos de balsa y cimientos de ostras en la historia de la construcción de puentes en el mundo; el puente Luding, con una luz de 103 m, el primer puente de piedra con interruptores móviles en China; e incluso el mundo, etc. espera.
En ese momento, el moderno puente sobre el río Qiantang, el puente sobre el río Wuhan Yangtze y el puente sobre el río Nanjing Yangtze hicieron sonar el llamado de atención para que China marchara hacia un país puente moderno. Según estadísticas incompletas, a finales de 2009, el número total de puentes de carreteras, ferrocarriles y ferrocarriles públicos en mi país había llegado a más de 600.000, y había más de 250 puentes sólo en el río Yangtze y el río Amarillo. Entre ellos, hay casi 130 en el río Yangtze y sus afluentes Tuotuo, río Tongtian y río Jinsha, y más de 120 en el río Amarillo. Entre los puentes atirantados, puentes colgantes, puentes de arco y puentes de vigas terminados, 24 se encuentran entre los diez mejores puentes del mismo tipo en el mundo, lo que representa el 60%. Entre ellos, hay 6 puentes atirantados, entre los cuales el puente del río Sutong Yangtze (caja de acero con una luz principal de 1088 m) y el puente Hong Kong Stonecutters (una caja de acero independiente con una luz principal de 1018 m) ocupan el primer y segundo lugar. respectivamente, 4 puentes colgantes, el puente Zhoushan Xihoumen (caja de acero dividida con una luz principal de 1.650 m; número uno en el mundo) y el puente del río Runyang Yangtze (caja de acero con una luz principal de 1.490 m) ocuparon el segundo y cuarto lugar respectivamente; Hay 8 puentes de arco, y el puente del río Yangtze de Chongqing Chaotianmen (tramo principal) con un arco continuo de armadura de acero con una luz de 552 m) y el puente Shanghai Lupu (arco de acero con una luz principal de 550 m) ocuparon el primer y segundo lugar respectivamente. Hay 6 puentes de tipo viga, y el puente Chongqing Shibanpo sobre el río Yangtze (con un tramo principal de 330 m de estructura rígida híbrida continua de acero y hormigón) ocupa el primer lugar. El puente de la bahía de Ningbo Hangzhou tiene 36 kilómetros de largo, el más largo del mundo. El Puente Donghai tiene una longitud total de 32,5 km; el Proyecto de Conexión de la Isla Continental de Zhoushan tiene una longitud total de 54,68 km; el Proyecto del Puente y Túnel del Río Yangtze de Shanghai - Túnel Sur y Puente Norte, con una longitud de túnel de 8,9 km y un El puente, con una longitud de 10,3 km, es el proyecto de combinación túnel-puente más grande del mundo hasta el momento.
No importa la forma de puente, la mayoría de sus materiales básicos se pueden clasificar en piedra, madera, hormigón, acero, etc., y estos materiales tienen distintos grados de problemas de durabilidad y requieren una atención especial. Por lo tanto, con la llegada del clímax de la construcción de puentes en nuestro país, el monitoreo en tiempo real del funcionamiento de puentes importantes se ha vuelto cada vez más urgente. Bajo la guía de las últimas tendencias de desarrollo en el campo de puentes internacionales, el monitoreo de la salud de los puentes se ha vuelto cada vez más urgente. un punto caliente en el desarrollo interno.
Introducción al desarrollo de sistemas de monitoreo de la salud de puentes
Aunque el monitoreo de la salud es una dirección técnica que solo ha aparecido en las últimas dos décadas, descubrimos que el concepto de monitoreo estructural ha existido. desde la antigüedad: en China, generalmente se instalan varias campanas en la torre antigua. Estas campanas tienen una función de alerta temprana para recordar a los turistas que deben evacuar cuando la estructura tiembla fuertemente. Además, la tecnología de monitoreo y detección de China tiene una larga historia: hay registros de mediciones de temperatura atmosférica y velocidad y dirección del viento en libros antiguos de la dinastía Han. En 1969, el artículo escrito por Lifshitz y Rotem se considera el primer artículo que elabora el concepto de monitoreo de la salud estructural moderno: la evaluación del estado de salud estructural a través del monitoreo de respuesta dinámica, por lo tanto, el monitoreo de la salud puente ha florecido en todo el mundo.
Campo de la ingeniería: en 1987, se implementaron sensores en el puente Foyle, un puente continuo de vigas cajón de acero de tres vanos con una longitud total de 522 metros, para monitorear la vibración, la deflexión y la deflexión de la viga principal. bajo la acción de vehículos y cargas de viento durante la fase de operación del puente.
Este sistema fue uno de los primeros sistemas de monitoreo de salud relativamente completos instalados. También se han instalado sistemas de vigilancia en puentes de gran luz, como el puente atirantado de Skamsundet en Noruega, el puente atirantado que cruza el mar de Feroe en Dinamarca y el puente colgante Great Belt East con una luz principal de 1624 m, según la Confederación. puente de estructura rígida continua en Canadá y el puente Akashi Kaikyo en Japón. Durante 1997, se instalaron sistemas de monitoreo estructural y eólico en tres puentes de Hong Kong: el puente Tsing Ma, el puente Kap Shui Mun y el puente Ting Kau. Posteriormente, se establecieron sistemas de monitoreo estructural de diferentes escalas en el puente Donghai, el puente Humen, el puente Xupu y el puente del río Jiangyin Yangtze en el continente.
En el ámbito académico: En la 9ª Conferencia Mundial sobre Ingeniería Sísmica (9WCEE) celebrada en Tokio, Japón en 1988, se discutió por primera vez a nivel internacional el control activo de la ingeniería civil. En 1994, se estableció formalmente la Sociedad Internacional de Control Estructural (IASC), y ese mismo año se celebró la primera Conferencia Internacional de Control Estructural (primera conferencia mundial sobre Control Estructural). Para adaptarse a las necesidades del desarrollo de la situación, después de 2006, la conferencia de la Sociedad Internacional de Control Estructural (IASC) pasó a llamarse World CONF. Control y seguimiento estructural.
Principales avances de la investigación en monitoreo de la salud
Al observar la historia del desarrollo y la situación actual del monitoreo de la salud de los puentes, existen principalmente los siguientes problemas técnicos y avances de la investigación:
En primer lugar, salud Diseño general del sistema de seguimiento. Los principios generales de diseño del sistema de monitoreo de salud incluyen lo siguiente: (1) Organizar los puntos de monitoreo de acuerdo con los resultados del análisis de vulnerabilidad de la estructura del puente y los requisitos de gestión de mantenimiento (2) Con base en los requisitos de seguridad, durabilidad y disponibilidad estructurales, realizar inspecciones estructurales; en la estructura utiliza una combinación de monitoreo en tiempo real y monitoreo regular para completar el trabajo con un mínimo de sensores y datos (3) Centrarse en el monitoreo del desplazamiento estructural, complementado con análisis de fuerza, tensión y modal; El contenido de monitoreo incluye principalmente fuentes de carga, características del sistema y respuesta estructural. El diseño actual de los sistemas de seguimiento de la salud se basa principalmente en la experiencia y las limitaciones de financiación de los proyectos, mientras que no existen normas claras para el diseño de los sistemas de sensores. Al mismo tiempo, no existe una forma clara de obtener datos a través de sistemas de seguimiento de la salud que son fundamentales para la evaluación del estado estructural.
En segundo lugar, la tecnología de transmisión de sensores. La tecnología de detección tradicional es susceptible a interferencias, tiene líneas de transmisión largas y otras deficiencias y ya no es adecuada para los requisitos de desarrollo del monitoreo del estado de los puentes. Con el apoyo de la ciencia y la tecnología modernas, en los últimos años se han desarrollado muchas nuevas tecnologías de detección, entre las cuales la detección por fibra óptica, la detección inalámbrica, la tecnología GPS y la tecnología de comunicación de datos por Internet son los principales representantes técnicos. La disposición óptima de los sensores ha atraído cada vez más atención. El tipo, número y ubicación de los sensores tienen una gran relación con el efecto de monitorización. En condiciones objetivas, el número de sensores siempre es limitado. Cómo organizar racionalmente sensores limitados para maximizar su efectividad es una de las tecnologías clave para el monitoreo de la salud y una de las direcciones para el desarrollo futuro.
En tercer lugar, la tecnología de fusión de datos. La tecnología de fusión de datos de sensores múltiples puede monitorear y diagnosticar sistemas estructurales de manera efectiva debido a sus poderosas capacidades de cobertura espacio-temporal y capacidades de procesamiento integrales para información incierta de múltiples fuentes. Las tecnologías de fusión de datos actualmente desarrolladas incluyen principalmente: promedio ponderado, filtro de Kalman, estimación bayesiana, teoría de decisión estadística, teoría de la evidencia, razonamiento difuso y redes neuronales. La mayoría de los sistemas de monitoreo de salud existentes permanecen en las etapas de recopilación de datos y análisis de datos simples, y el sistema de monitoreo de salud del puente generará una gran cantidad de datos de prueba. Integrar e interpretar estos datos e información de prueba y realizar una evaluación razonable del verdadero estado de la estructura sigue siendo muy difícil.
En cuarto lugar, la investigación sobre la teoría de identificación de daños y sistemas. En la actualidad, los principales métodos de investigación son los métodos de identificación de daños estructurales basados en vibraciones y los métodos de modificación de modelos. Como parte importante de la evaluación de la condición estructural, la identificación de daños estructurales ha sido uno de los puntos críticos de investigación en el monitoreo de la salud en los últimos años. Han surgido métodos de frecuencia estructural, modo de desplazamiento, modo de deformación, modo de curvatura, energía de deformación, rigidez, elasticidad y energía. , función de respuesta de frecuencia y una serie de métodos de identificación de daños. El método de modificación del modelo se basa principalmente en el problema de optimización de las ecuaciones de movimiento, los resultados de las pruebas y las restricciones de construcción del modelo de elementos finitos, y corrige continuamente la distribución de la rigidez estructural, la masa y la amortiguación para que su respuesta sea lo más cercana posible a la respuesta real. La modificación del modelo estructural puede proporcionar un modelo de referencia para el monitoreo del estado y también puede proporcionar una buena base para la identificación de daños estructurales y la simulación del desempeño basada en la inversión de los resultados de las pruebas.
Quinto, evaluación de la salud estructural. El método de evaluación de la condición estructural utiliza principalmente posible información interna que refleja el desempeño de la estructura para evaluar las condiciones de funcionamiento de la estructura, como la construcción y la operación. En la actualidad, existen principalmente teoría de la confiabilidad, proceso de jerarquía analítica, teoría difusa, redes neuronales y sistemas expertos.
La evaluación del estado estructural de los sistemas de monitoreo de la salud requiere extraer características que reflejen las características estructurales de una gran cantidad de datos de monitoreo estructural para completar una evaluación regular y en tiempo real de la estructura. Esto implica inevitablemente la extracción de características, la fusión de datos y la toma de decisiones de rendimiento de los datos estructurales. . , pero actualmente se ha trabajado muy poco en esta área.
Ejemplo de monitoreo del estado del puente: Puente Donghai
El puente Donghai comenzó oficialmente su construcción el 26 de junio de 2002. Después de 35 meses de ardua construcción, la conectividad estructural se logró el 25 de mayo de 2005. Es el primer verdadero puente que cruza el mar de China. El puente Donghai comienza en el puerto de Luchao en el distrito de Nanhui, Shanghai, se conecta con la autopista Shanghai-Lu en el norte, cruza las aguas del norte de la bahía de Hangzhou en el sur y llega a la isla Xiaoyangshan en el condado de Shengsi, Zhejiang. 32,5 kilómetros, de los cuales la sección terrestre es de aproximadamente 3,7 kilómetros. La sección costa afuera desde la Calzada Gangxin hasta la isla Wugui es de aproximadamente 25,3 kilómetros, y la sección de conexión entre la isla Wugui y la isla Xiaoyangshan es de aproximadamente 3,5 kilómetros. El puente está diseñado según los estándares de las carreteras con seis carriles de doble sentido y zonas de estacionamiento de emergencia. El puente tiene 31,5 m de ancho y una velocidad de diseño de 80 km/h. La carga de diseño se verifica en función de la densa disposición de los contenedores pesados. Puede soportar tifones de magnitud 12 y terremotos de magnitud 7, y el período de referencia de diseño. es 100. El Puente del Mar de China Oriental es un importante proyecto de apoyo para la primera fase del Área Portuaria de Aguas Profundas de Yangshan del Centro Marítimo Internacional de Shanghai. Proporciona transporte terrestre de contenedores, suministro de agua, suministro de energía, comunicaciones y otros servicios al Área Portuaria de Aguas Profundas de Yangshan. La finalización y apertura del Puente del Mar de China Oriental ha sentado una base sólida para la finalización y el desarrollo posterior del puerto de aguas profundas de Yangshan y la aceleración de la construcción del Centro de Transporte Marítimo Internacional de Shanghai. El Puente Donghai fue catalogado como el "Proyecto No. 1" por el Gobierno Municipal de Shanghai en ese momento, y su importancia es evidente. Mientras se construye la estructura, también se incluye en la agenda el diseño del sistema de seguimiento de la salud. Desde el 5 de junio de 2006 hasta octubre de 2006, el sistema de monitoreo del puente Donghai se implementó con éxito y se puso en uso en 2007.
El contenido de monitoreo del Puente Donghai incluye principalmente parámetros ambientales, respuesta estructural estática y dinámica y durabilidad estructural. Entre ellos, los parámetros ambientales incluyen principalmente la velocidad del viento, los terremotos, las olas y la socavación. La respuesta estructural incluye principalmente la deformación de las torres de puentes atirantados, la deflexión de vigas continuas, la deformación de amortiguadores y juntas de expansión, el daño de las vigas principales, la vibración de las vigas principales y torres, y la tensión de los tirantes. El monitoreo de la durabilidad estructural incluye la fatiga de las estructuras de acero y la corrosión crónica de las estructuras de concreto.
Los métodos de monitoreo básicos adoptados por el puente Donghai incluyen: usar sensores FBG para medir la tensión y la temperatura; usar sistemas de posicionamiento global para monitorear la deformación estructural y usar sensores de fatiga para medir la fatiga del puente. El puente completo * * * utiliza 478 sensores, incluidos 169 sensores en el tramo principal.
El sistema de evaluación de datos se divide en evaluación online y evaluación offline. El monitoreo de la red es un sistema de monitoreo automático que no solo puede juzgar la seguridad de la estructura, sino también analizar los datos recopilados. Los sistemas de monitoreo automatizados también pueden decidir automáticamente si es necesario alertar a los gerentes e iniciar inmediatamente una evaluación fuera de línea. El sistema de evaluación fuera de línea puede realizar algunos análisis más avanzados, como análisis estático estructural, análisis modal, comportamiento mecánico de puentes y análisis de corrección de factores ambientales, etc. Este sistema requiere que expertos realicen análisis y juicios estructurales exhaustivos y luego proporciona una evaluación integral del estado del puente.
Los datos de monitoreo de las estructuras de puentes incluyen no solo el estado operativo normal, sino también la respuesta de las estructuras de puentes bajo cargas extremas (como tifones, terremotos, explosiones, colisiones de barcos, etc.). ). Después de obtener una gran cantidad de datos de seguimiento, se necesita un análisis más profundo. Primero, es necesario distinguir qué partes de los datos son respuestas estructurales causadas por cambios ambientales y qué partes son causadas por daños estructurales. Luego, las leyes inherentes y los cambios contenidos en los datos se muestran a través de gráficos y otras formas, y luego los datos. Se evalúa el estado general de la estructura.
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