¿Aplicación del monitoreo de salud en la ingeniería de puentes?

Los logros de China en la construcción de puentes

Como miembro de las cuatro civilizaciones antiguas, China tiene una cultura extremadamente larga y espléndida. En el campo de la ingeniería de puentes, durante las dinastías Zhou y Qin, mi país tenía básicamente tres tipos de puentes: vigas, cables y puentes flotantes; durante la dinastía Han, la construcción de caballetes fue el foco principal durante las dinastías Sui y Tang; la tecnología se volvió cada vez más madura y alcanzó un salto durante las dos dinastías Song, estaba completamente desarrollada y a gran escala. La escala progresó durante las dinastías Yuan, Ming y Qing, se volvió cada vez más próspera y la tecnología comenzó a quedarse atrás en el medio; y finales de las dinastías Qing. En comparación con el nivel mundial en el mismo período, nuestro país ha estado en el nivel avanzado del mundo durante un largo período histórico, ha construido innumerables puentes de diversos tipos y tiene una gran cantidad de excelentes obras transmitidas hasta el día de hoy.

El Puente Zhaozhou, construido entre 605 y 616 d.C., no solo es el puente de arco de piedra de cinturón abierto más antiguo y completo que existe en mi país, sino también en el mundo. Tiene un profundo impacto en la construcción de puentes. de las generaciones futuras en todo el mundo. Se extiende sobre el río Xiaohe en el condado de Zhao. Es un puente de piedra en forma de arco de un solo orificio con un gran arco superpuesto en ambos extremos y pequeños arcos utilizados para desviar el agua. Está hecho de 28 arcos de piedra construidos uno al lado del otro. longitudinalmente Su estructura arquitectónica es única Desde la antigüedad, ha sido conocido como "el puente más ingenioso y mejor protegido del mundo". En 1991, el Puente Zhaozhou fue seleccionado como el duodécimo "Monumento Histórico Internacional de Ingeniería Civil". Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles. El Puente Anping, conocido como "No hay ningún puente tan largo en el mundo", fue construido durante la dinastía Song del Sur hace más de 800 años. Tiene más de 2.000 metros de largo. No sólo es el puente de vigas de piedra más largo de mi país. país, sino también el puente de vigas de piedra más largo del mundo. Además, está el Puente Lugou, que ocupa el primer lugar entre los tres puentes antiguos famosos de China, el Puente Luoyang (también conocido como Puente Wan'an), que fue pionero en el uso de cimientos de balsas y cimientos consolidados con ostras en la historia del mundo; la construcción de puentes y el puente Luding, con una luz de 103 metros; el puente Guangji, que es el puente de piedra intercambiable más antiguo de China e incluso del mundo, etc.

En ese momento, el puente del río Qiantang, el puente del río Yangtze de Wuhan y el puente del río Yangtze de Nanjing hicieron sonar el llamado de atención para que mi país avanzara hacia un poder puente moderno. Según estadísticas incompletas, a finales de 2009, el número total de puentes de autopistas, ferrocarriles y carreteras-ferrocarriles construidos en mi país había llegado a más de 600.000, incluidos más de 250 sólo en los ríos Yangtze y Amarillo. Entre ellos, hay casi 130 en el río Yangtze y sus afluentes, el río Tuotuo, el río Tongtian y el 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 primeros del mundo en términos de luz de puentes similares, lo que representa el 60%. Entre ellos: 6 puentes atirantados, el puente del río Sutong Yangtze (caja de acero con tramo principal de 1088 m) y el puente Hong Kong Stonecutters (con tramo principal de caja de acero separada de 1018 m) ocuparon el primer y segundo lugar respectivamente, el puente Zhoushan West Houmen (principal); caja de acero dividida de 1650 m de luz; el primero en el mundo) y el puente del río Runyang Yangtze (caja de acero de 1490 m de luz principal) ocuparon el segundo y cuarto lugar respectivamente, hay 8 puentes de arco, el puente del río Chongqing Chaotianmen Yangtze (una luz de armadura de acero continua de 552 m de luz principal); arco), el puente Shanghai Lupu (luz principal de 550 m, arco de unión de cesta de acero) ocupó el primer y segundo lugar respectivamente, hay 6 puentes de vigas, el puente Chongqing Shibanpo del río Yangtze (luz principal de 330 m de marco rígido híbrido de acero y concreto) consecutivamente) ocupó el primer lugar. Entre los puentes que cruzan el mar, el puente de la bahía de Hangzhou de Ningbo tiene una longitud total de 36 km, el más largo del mundo; el puente del Mar de China Oriental tiene una longitud total de 32,5 km; el proyecto de la isla continental de Zhoushan tiene una longitud total de 36 km. 54,68 km; el proyecto de puente y túnel del río Yangtze de Shanghai: túnel sur, puente norte, túnel Con una longitud de 8,9 km y una longitud de puente de 10,3 km, es el proyecto combinado de túnel y 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 presentan distintos grados de problemas en cuanto a durabilidad y requieren una atención especial. . Por lo tanto, con la llegada del clímax de la construcción de puentes en mi país, el monitoreo en tiempo real de las condiciones operativas de puentes importantes se ha vuelto cada vez más urgente, junto con la guía de los últimos desarrollos en el campo de puentes internacionales, el monitoreo de la salud de los puentes es cada vez más urgente. convertirse en un punto importante del 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 surgido en las últimas una o dos décadas, rastreando la historia encontramos que el concepto de El monitoreo estructural ha existido desde la antigüedad: en China, generalmente se instalan varias campanas en pagodas antiguas, y estas campanas también 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 también tiene una larga historia: libros antiguos de la dinastía Han contienen registros de medición de la temperatura atmosférica y la velocidad y dirección del viento. En 1969, el artículo escrito por Lifshitz y Rotem fue considerado el primero en elaborar el concepto de monitoreo de la salud estructural moderno: evaluar el estado de salud estructural a través del monitoreo de respuesta dinámica, por lo que el monitoreo de la salud puente floreció en todo el mundo.

En el campo de la ingeniería: en 1987, el Reino Unido instaló sensores en el puente Foyle, un puente continuo de vigas cajón de acero de tres tramos con una longitud total de 522 m, para controlar la vibración, la deflexión y la tensión de la viga principal bajo la acción de vehículos y cargas de viento durante la fase de operación del puente. A la espera de respuestas, 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 en Canadá y el puente Akashi Kaikyo en Japón. En 1997, se instalaron sistemas de monitoreo estructural y de viento en tres puentes de Hong Kong: el puente Tsing Ma, el puente Kap Shui Mun y el puente Ting Kau.

Posteriormente, también se establecieron sistemas de monitoreo estructural de diferentes tamaños en puentes como 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 escala 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 Mundial sobre Control Estructural. Para hacer frente a las necesidades del desarrollo de la situación, después de 2006, la conferencia de la Sociedad Internacional de Control Estructural (IASC) pasó a llamarse Conferencia Internacional sobre Control y Monitoreo Estructural (Conferencia Mundial sobre Control y Monitoreo Estructural).

Principales avances de la investigación en monitoreo de la salud

Según 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:

Primero, diseño general del sistema de seguimiento de la salud. Los principios generales de diseño del sistema de monitoreo de salud incluyen lo siguiente: (1) El diseño de los puntos de monitoreo se basa en los resultados del análisis de vulnerabilidad de la estructura del puente y las necesidades de gestión de mantenimiento (2) De las necesidades de seguridad estructural y durabilidad; y usabilidad Comience a monitorear la estructura, utilizando una combinación de monitoreo en tiempo real y monitoreo regular, y esfuércese por completar el trabajo con la menor cantidad de sensores y la menor cantidad de datos (3) Centrarse en el monitoreo del desplazamiento estructural, asistido por la fuerza; estrés y análisis modal. Los contenidos de monitoreo incluyen principalmente fuentes de carga, características del sistema y respuesta estructural. En la actualidad, el diseño del sistema de seguimiento de la salud se basa principalmente en la experiencia y las limitaciones de financiación del proyecto para determinar el diseño del sistema de sensores. Al mismo tiempo, no está claro. Lo que se debe obtener a través del sistema de monitoreo de la salud. No existe un método claro para que los datos desempeñen un papel clave en la evaluación del estado de las estructuras. En segundo lugar, la tecnología de transmisión de sensores. Deficiencias como que la tecnología de prueba de detección tradicional es susceptible a interferencias y cables de transmisión demasiado largos ya no cumplen con 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 tecnologías de detección nuevas, entre las que se encuentran las ópticas. La detección de fibra, la detección inalámbrica, la tecnología GPS y la tecnología de comunicación de datos por Internet son los principales representantes técnicos. La cuestión de la disposición óptima de los sensores también ha atraído cada vez más la atención de la gente. El tipo, la cantidad y la posición de disposición de los sensores tienen una gran relación con el efecto de monitoreo. La cantidad de sensores siempre está limitada en condiciones objetivas. sensores para lograr mejores resultados? Maximizar su efectividad es una de las tecnologías clave para el monitoreo de la salud, y también es una de las direcciones para el desarrollo futuro. En tercer lugar, la tecnología de fusión de datos. La tecnología de fusión de datos de múltiples sensores puede monitorear y diagnosticar eficazmente sistemas estructurales con sus poderosas capacidades de cobertura espacio-temporal y capacidades de procesamiento integrales para información de incertidumbre de múltiples fuentes. Las tecnologías de fusión de datos que se han desarrollado actualmente incluyen: 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 la etapa de recopilación de datos y análisis de datos simples. Al mismo tiempo, el sistema de monitoreo de salud del puente generará una gran cantidad de datos de prueba. Todavía existen muchos problemas para integrar e interpretar estos datos e información de prueba. , y en evaluar razonablemente el verdadero estado de la estructura. Cuarto, investigación sobre sistemas y teoría de identificación de daños. En la actualidad, los principales métodos de investigación incluyen métodos de identificación de daños estructurales basados ​​en vibraciones y 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 campo del monitoreo de la salud en los últimos años. Ha habido métodos basados ​​en la frecuencia estructural, el modo de desplazamiento, el modo de deformación, el modo de curvatura y la energía de deformación. rigidez y cumplimiento, método de 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 las ecuaciones de movimiento, los resultados de las pruebas y los problemas de optimización de las restricciones de construcción del modelo de elementos finitos para modificar continuamente la rigidez estructural, la masa y la distribución de 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 proporciona 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 la información interna que se puede obtener para reflejar el desempeño estructural para evaluar las condiciones de funcionamiento de la estructura, como la construcción y la operación. Actualmente, incluye principalmente teoría de confiabilidad, proceso de jerarquía analítica, teoría difusa y redes neuronales. y sistema experto, etc. 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, lo que inevitablemente implicará la extracción de características, la fusión de datos y el desempeño de los datos estructurales. -fabricación, etc., pero actualmente se ha trabajado menos en esta área.

Ejemplo de monitoreo del estado del puente---Puente Donghai

El proyecto del Puente Donghai comenzó oficialmente su construcción el 26 de junio de 2002. Después de 35 meses de ardua construcción, se completó el 25 de mayo. , 2005. La estructura se completó el día 2 y es el primer verdadero puente que cruza el mar en mi país. 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 marítima entre Chaogang New Levee y la isla Dawugui es de aproximadamente 25,3 kilómetros, y la sección de conexión del puente portuario entre la isla Dawugui y la isla Xiaoyangshan es de aproximadamente 3,5 kilómetros.

El puente está diseñado según el estándar de una carretera de dos vías y seis carriles con zona de estacionamiento de emergencia. El ancho del puente es de 31,5 metros y la velocidad de diseño es de 80 kilómetros por hora. La carga de diseño se verifica en base a la estrecha disposición de los vehículos. contenedores pesados ​​y vehículos pesados. Puede soportar tifones de nivel 12 y terremotos de nivel 7. El período de referencia de diseño es de 100 años. El Puente Marítimo de China Oriental es un importante proyecto de apoyo para la primera fase del Puerto de Aguas Profundas de Yangshan del Centro Marítimo Internacional de Shanghai. Proporciona servicios para la recolección y distribución terrestre de contenedores, suministro de agua, suministro de energía, comunicaciones y otras necesidades del Puerto de Aguas Profundas de Yangshan. . La finalización y apertura del Puente del Mar de China Oriental ha sentado una base sólida para la apertura y el desarrollo posterior del puerto de aguas profundas de Yangshan y ha acelerado la construcción del Centro de Transporte Marítimo Internacional de Shanghai. El puente Donghai fue catalogado como el "Proyecto número uno" por el gobierno municipal de Shanghai en ese momento. Su importancia es evidente. Mientras se llevaba a cabo la construcción estructural, también se incluyó en la agenda el despliegue de un sistema de vigilancia de la salud. En octubre de 2006, el sistema de vigilancia del puente Donghai se instaló con éxito y se puso en funcionamiento oficialmente en 2007.

El contenido de monitoreo del Puente Donghai incluye principalmente parámetros ambientales, respuesta estructural estática y dinámica y durabilidad estructural. Los parámetros ambientales incluyen principalmente la velocidad del viento, terremotos, olas y socavación, etc. El principal contenido de monitoreo de la respuesta estructural incluye la deformación de la torre del puente atirantado, la deflexión de la viga continua, la deformación del amortiguador y las juntas de expansión. , los daños de la viga principal, la viga principal y las vibraciones de la torre y tensiones en 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 utilizados en el puente Donghai incluyen: usar sensores FBG para medir la tensión y la temperatura; usar GPS para monitorear la deformación estructural y usar sensores de fatiga para medir la fatiga de las vigas principales del puente. Todo el puente utiliza 478 sensores, incluidos 169 en el tramo principal.

El sistema de evaluación de datos se divide en evaluación online y evaluación offline. El monitoreo en red es un sistema de monitoreo automático. Este sistema no solo puede juzgar la seguridad de la estructura, sino también analizar los datos recopilados. El sistema de monitoreo automático también puede decidir automáticamente si es necesario alertar a los gerentes e iniciar una evaluación fuera de línea de inmediato. El sistema de evaluación fuera de línea puede realizar algunos análisis más avanzados, como análisis estático estructural, análisis modal, análisis de corrección del comportamiento mecánico del puente y factores ambientales, etc. Este sistema requiere un análisis estructural extenso y el juicio de expertos para proporcionar una evaluación integral del estado del puente.

Los datos de monitoreo de las estructuras de puentes no solo incluyen las condiciones normales de operación, sino que también incluyen la respuesta de las estructuras de los puentes bajo cargas extremas (como tifones, terremotos, explosiones, colisiones de barcos, etc.). Después de obtener una gran cantidad de datos de monitoreo, es necesario realizar un análisis y una organización más profundos. Primero, distinguir qué partes de los datos se deben a respuestas estructurales causadas por cambios ambientales, qué partes se deben a daños estructurales, etc. y luego use gráficos, etc. La forma expresa las leyes inherentes y los cambios contenidos en los datos, y luego evalúa la condición general de la estructura.

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