橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)新概念
2011-11-28 來源：建筑工程教育網
近年來,隨著我國經濟的飛速發(fā)展,交通運輸日漸繁忙,作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環(huán)境未知問題的調查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內涵。
對橋梁結構進行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結構的當前狀況有一個正確的認識。這就要求管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和智能化的自行評估的功能。
一、橋梁健康監(jiān)測新概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內涵即是通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)控與評估,為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號,為橋梁維護濰修與管理決策提供依據和指導。為此,監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進行監(jiān)控:
1、橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài);
2、橋梁重要非結構構件（加支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態(tài);
3、結構構件耐久性;
4、大橋所處環(huán)境條件;等等。
與傳統(tǒng)的檢測技術不同,大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力,而且力求對結構整體行為的實時監(jiān)控和對結構狀態(tài)的智能化評估。
然而,橋梁結構健康監(jiān)測不僅僅只是為了結構狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結構特點以及所處的特定環(huán)境,在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而,結構理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型,并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環(huán)境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此,通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結構的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上,國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強調利用監(jiān)測信息驗證結構的設計。
還應看到,橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設計的反思,它還可能并應該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。盡管橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展,但是,大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定,超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時,橋梁結構控制與健康評估技術的深入研究與開發(fā)也需要結構現(xiàn)場試驗與調查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充,而且可以提供有關結構行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外,橋梁振動控制與健康評估技術的開發(fā)與應用性也需要現(xiàn)場試驗與調查。
二、健康監(jiān)測系統(tǒng)設計
1、監(jiān)測系統(tǒng)設計準則
顯然,監(jiān)測系統(tǒng)的設計應該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對于特定的橋梁,建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評估,或是設計驗證,甚至以研究發(fā)展為目的;也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定,系統(tǒng)的監(jiān)測項目就可以基本上確定。另外,監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。
根據功能要求和成本-效益分析可以將監(jiān)測項目和測點數設計到所需的范圍,可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設施。因此,功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準則。
2、監(jiān)測項目
不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同。因此,對于大跨度余支承橋梁,須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位,以獲得較為詳細的結構動力行為并驗證結構設計時的動力分析模型和響應預測。另外,在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。
目前,某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結構整體性與安全性評估技術為目的之一。結合橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見,但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項目是專為研究服務的。與理論研究相關的監(jiān)測項目可以根據待研究問題的性質來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看,以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進行深入研究或論證。
（1）抗風方面:包括風場特性觀測、結構在自然風場中的行為以及抗風穩(wěn)定性。
（2）抗震方面:包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點激勵對結構響應的影響等。通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。
（3）結構整體行為方面:包括研究結構在強風、強地面運動下的非線性特性,橋址處環(huán)境條件變化對結構動力特性、靜力狀態(tài)（內力分布、變形）的影響等。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數據的整體性評估方法非常重要。
（4）結構局部問題:例如邊界、聯(lián)接條件,鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題,結合梁結合面（包括剪力鍵）的破壞機制,等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。
（5）耐久性問題:橋梁結構中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。
（6）基礎:大直徑樁的采用也帶來一些設計問題,直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助橋梁監(jiān)測系統(tǒng)調查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題,也是設計部門的需要。
三、橋梁健康監(jiān)測意義
1、監(jiān)控與評估
橋梁健康檢測的基本內涵是通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)控與評估,為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發(fā)出預警信號,為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。為此,監(jiān)測系統(tǒng)通常對以下幾個方面進行監(jiān)控:①橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài);②橋梁重要非結構構件和附屬設施的工作狀態(tài);③結構構件耐久性;④工程所處環(huán)境條件等等。
2、設計驗證
由于大型橋梁的力學和結構特點以及所處的特定環(huán)境,在大橋設計階段安全掌握和預測其力學特性和行為特性是非常困難的。因此,通過橋梁健康檢測所獲得的實際結構的動靜力行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設計理論和設計模型有驗證作用,而且有益于新的設計理論的形成。
3、研究與發(fā)展
橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和某種特定橋梁設計的反思,它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實驗室。由于運營中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充,而且可以提供有關結構行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。
