在橋梁工程中健康監(jiān)測的應(yīng)用
2015-07-13
中國橋梁建設(shè)取得的成就
作為四大文明古國的一員，中國有著極其悠久和燦爛的文化。在橋梁工程領(lǐng)域，我國在周秦時期，梁索浮三種橋型就已經(jīng)基本具備；兩漢時期，以棧橋建設(shè)為主；隋唐時期，技術(shù)日益成熟，達(dá)到飛躍；兩宋時期，全面開展，大規(guī)模進(jìn)行；元明清時期，日趨鼎盛，清朝中后期技術(shù)開始落后。與同期世界水平相比，我國在相當(dāng)長的歷史時間內(nèi)一直處于世界先進(jìn)水平，建造了無數(shù)的各式橋梁，并有大量的優(yōu)秀作品傳世至今。
始建于公元605－616年的趙州橋，不僅是我國而且也是世界上現(xiàn)存最早、保存最完整的空腹式石拱橋，對世界后代的橋梁建筑有著十分深遠(yuǎn)的影響。它橫跨于趙縣洨河之上，是一座大拱兩端疊加分流用小拱的敞肩單孔弧形石橋，由28道石拱券縱向并列砌筑而成，其建筑結(jié)構(gòu)之奇特，自古有“奇巧固護(hù)，甲于天下”的美稱， 1991年，趙州橋被美國土木工程師學(xué)會選定為世界第十二處“國際土木工程歷史古跡”。有著“世上無橋長此橋”美譽(yù)的安平橋建于800多年前的南宋時期，全長兩千多米，不僅是我國最長的石梁橋，也是世界上最長的石梁橋。另外還有位列中國三大古代名橋之首盧溝橋；在世界造橋史上開創(chuàng)性采用筏型基礎(chǔ)及種蠣固基的洛陽橋（又稱萬安橋）；跨徑達(dá)到103米的瀘定橋；作為中國乃至世界上最早的一座開關(guān)活動式大石橋的廣濟(jì)橋等等。
時值近代錢塘江大橋，武漢長江大橋，南京長江大橋吹響了我國向現(xiàn)代化橋梁大國進(jìn)軍的號角。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2009年底，我國已建成公路、鐵路、公鐵兩用橋梁總數(shù)已達(dá)60余萬座，僅在長江、黃河上就有250 余座。其中，長江及其支流沱沱河、通天河、金沙江上有近130座，黃河上有120 余座。在已建成的斜拉橋、懸索橋、拱橋、梁橋中，分別位居世界同類型橋梁跨徑排行榜前十名之列的有24 座，占60％。其中：斜拉橋6 座，蘇通長江大橋(主跨1088m 鋼箱)、香港昂船洲大橋(主跨1018m 分離鋼箱) 分別位居第一、第二；懸索橋4 座，舟山西堠門大橋(主跨1650m 分體式鋼箱;為世界首座)、潤揚(yáng)長江大橋(主跨1490m 鋼箱) 分別位居第二、第四；拱橋8座，重慶朝天門長江大橋(主跨552m 連續(xù)鋼桁系桿拱)、上海盧浦大橋(主跨550m 鋼箱提籃系桿拱) 分別位居第一、第二；梁橋6 座，重慶石板坡長江大橋(主跨330m 鋼—混凝土混合剛構(gòu)—連續(xù))位居第一。跨海橋梁中的寧波杭州灣大橋總長36 Km，為跨海橋梁世界之最；東海大橋總長32．5Km；舟山大陸連島工程總長54.68Km； 上海長江隧橋工程———南隧北橋，隧道長度8．9Km、橋長10.3Km，為世界迄今為止最大的隧橋結(jié)合工程。
不管什么形式的橋梁，其基本材料大多可歸為石材，木材，混凝土，鋼材等類型，而這些材料在耐久性方面均存在不同程度的問題，需要給予特別關(guān)注。所以隨著我國橋梁建設(shè)高潮的來臨，對重要橋梁運(yùn)營狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測顯得愈發(fā)迫切，加上國際橋梁領(lǐng)域最新發(fā)展動態(tài)的引導(dǎo)，橋梁健康監(jiān)測日益成為國內(nèi)發(fā)展的一大熱點(diǎn)。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展簡介
雖然健康監(jiān)測是最近一二十年才興起的一個技術(shù)方向，但追尋歷史我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測概念古已有之：在中國，古塔上通常安裝有各種各樣的鈴鐺，而這些鈴鐺就兼具結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈晃動時提醒游人撤離的預(yù)警功能。另外，中國的監(jiān)測傳感技術(shù)也源遠(yuǎn)流長：漢代的古籍中就有大氣溫度和風(fēng)速風(fēng)向測量的記載。而1969年，Lifshitz和Rotem所寫的論文則被視為闡述現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念——通過動力響應(yīng)監(jiān)測評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)——的第一篇論文；由此，橋梁健康監(jiān)測在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展起來。
在工程領(lǐng)域：1987年，英國在總長522m的三跨連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。挪威的Skamsundet斜拉橋，丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624m的Great Belt East懸索橋，加拿大的Confederation連續(xù)剛構(gòu)橋，日本的明石海峽大橋等大跨橋梁上也相繼安裝了監(jiān)測系統(tǒng)；1997年， 香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座大橋上安裝了風(fēng)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。隨后，內(nèi)地的東海大橋、虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋等橋梁上也建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)。
在學(xué)術(shù)領(lǐng)域：1988年在日本東京舉行的第九屆世界地震工程會議（9WCEE)上，首次在國際范圍內(nèi)討論土木工程主動控制。1994年，國際結(jié)構(gòu)控制學(xué)會（IASC)正式成立，同年召開第一屆國際結(jié)構(gòu)控制會議（1st World Conf. on StructuralControl）。為了應(yīng)對形勢發(fā)展的需要，2006年以后，國際結(jié)構(gòu)控制學(xué)會（IASC)會議改名為國際結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測會議（World Conf. on Structural Control and Monitoring）。
健康監(jiān)測主要研究進(jìn)展
綜合橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀來看，主要有以下技術(shù)難題和研究進(jìn)展：
第一，健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計。健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計原則包括以下幾項(xiàng)：（1）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)易損性分析的結(jié)果及養(yǎng)護(hù)管理的需求進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)；（2）從結(jié)構(gòu)安全性、耐久性、使用性的需求出發(fā)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，采用實(shí)時監(jiān)測和定期監(jiān)測相結(jié)合的方法，力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量完成工作；（3）以結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測為主，以力、應(yīng)力、模態(tài)分析為輔助。監(jiān)測內(nèi)容主要是荷載源、系統(tǒng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。目前對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計更主要的是基于經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的限制來確定傳感器系統(tǒng)得設(shè)計，而沒有一種確定性標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行傳感器系統(tǒng)的設(shè)計，同時對需要通過健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得哪些能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估發(fā)揮關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)還沒有明確的方法。
� 第二，傳感傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)傳感測試技術(shù)易受干擾、傳輸導(dǎo)線過長等缺點(diǎn)已不再滿足橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展要求，加上現(xiàn)代科技支撐，近年來發(fā)展起來了許多新型的傳感技術(shù)，其中以光纖傳感、無線傳感、GPS技術(shù)和Internet數(shù)據(jù)通信技術(shù)為主要技術(shù)代表。關(guān)于傳感器優(yōu)化布置的問題也愈發(fā)引起人們的關(guān)注，傳感器的類型、數(shù)量和布置位置對監(jiān)測效果有著非常大的關(guān)系，客觀條件中傳感器的數(shù)量總是有限的，如何將有限的傳感器合理布置以發(fā)揮其最大的效用是是健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是以后大力發(fā)展的方向之一。
� 第三，數(shù)據(jù)融合技術(shù)。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強(qiáng)大的時空覆蓋能力和對多源不確定性信息的綜合處理能力,可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷。目前已經(jīng)發(fā)展起來的數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有：加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)理論、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有健康監(jiān)測系統(tǒng)多停留在數(shù)據(jù)采集和簡單數(shù)據(jù)分析階段，同時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生大量測試數(shù)據(jù), 對這些測試數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行整合與解釋，以及對結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)的進(jìn)行合理評估仍存在很大困難。
� 第四，系統(tǒng)與損傷識別理論研究。目前主要的研究方法有基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別方法和模型修正方法。結(jié)構(gòu)損傷識別作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的重要組成部分，是近年來健康監(jiān)測方向的研究熱點(diǎn)之一，出現(xiàn)了如基于結(jié)構(gòu)頻率、位移模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)、應(yīng)變能、剛度、柔度、能量法、頻響函數(shù)等一系列損傷識別方法。而模型修正方法主要是基于運(yùn)動方程、測試結(jié)果和有限元模型構(gòu)造約束優(yōu)化問題不斷修正結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼分布，使其響應(yīng)盡可能的接近實(shí)際響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的模型修正能夠?yàn)榻】当O(jiān)測提供基準(zhǔn)模型，同時也為基于測試結(jié)果的反演進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別和性能模擬提供了很好的基礎(chǔ)。
� 第五，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法主要是運(yùn)用可能獲得的反映結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)部信息對結(jié)構(gòu)的施工運(yùn)營等工作狀態(tài)進(jìn)行評估，目前主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估需要從結(jié)構(gòu)監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)中提取能夠反映結(jié)構(gòu)特性的特征，以完成對結(jié)構(gòu)實(shí)時和定期的評估，而這其中必然會涉及到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的特征提取、數(shù)據(jù)融合及性能決策等方面，但目前這個方面所作的工作較少。
橋梁健康監(jiān)測實(shí)例---東海大橋
東海大橋工程2002年6月26日正式開工建設(shè)，歷經(jīng)35個月的艱苦施工，于2005年5月25日實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)貫通，是我國第一座真正意義上的跨海大橋。東海大橋起始于上海南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達(dá)浙江嵊泗縣小洋山島，全長約32.5公里，其中陸上段約3.7公里，蘆潮港新大堤至大烏龜島之間的海上段約25.3公里，大烏龜島至小洋山島之間的港橋連接段約3.5公里。大橋按雙向六車道加緊急停車帶的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋?qū)?1.5米，設(shè)計車速每小時80公里，設(shè)計荷載按集裝箱重車密排進(jìn)行校驗(yàn)，可抗12級臺風(fēng)、七級烈度地震，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。東海大橋是上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運(yùn)和供水、供電、通訊等需求提供服務(wù)。東海大橋的建成通車，為洋山深水港建成開港和進(jìn)一步發(fā)展，加快上海國際航運(yùn)中心的建設(shè)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。東海大橋當(dāng)時被上海市政府列為“一號工程”，其重要性不言而喻，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建設(shè)的同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)也提上了日程。2006年10月，東海大橋的監(jiān)測系統(tǒng)順利布置到位，并于2007年正式投入使用。
東海大橋的監(jiān)測內(nèi)容主要是環(huán)境參數(shù)，結(jié)構(gòu)靜力和動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的耐久性。其中環(huán)境參數(shù)主要包含風(fēng)速，地震，波浪和沖刷等，結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要監(jiān)測內(nèi)容包括斜拉橋橋塔的變形，連續(xù)梁的撓曲，阻尼器和伸縮縫的變形，主梁的損傷，主梁和塔的振動以及斜拉索的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測包含鋼結(jié)構(gòu)的疲勞和混凝土結(jié)構(gòu)的慢性腐蝕。
東海大橋上使用的基本監(jiān)測手段有：用FBG傳感器測量應(yīng)力和溫度；用GPS監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形；用疲勞傳感器測量橋梁主梁的疲勞。全橋一共使用了478個傳感器，包括使用在主跨上的169個。
數(shù)據(jù)評價體系分為聯(lián)網(wǎng)評估和脫機(jī)評估。聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測是一種自動監(jiān)測系統(tǒng)，這一系統(tǒng)不僅可以判斷結(jié)構(gòu)的安全性，還可以進(jìn)而對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。自動監(jiān)測系統(tǒng)還可以自動決定是否需要向管理者預(yù)警并立即開始脫機(jī)評估。脫機(jī)評估系統(tǒng)可以進(jìn)行一些更加高級的分析，比如結(jié)構(gòu)靜力分析，模態(tài)分析，橋梁力學(xué)行為和環(huán)境因素的校正分析等等。這一系統(tǒng)需要大量的結(jié)構(gòu)分析并由專家進(jìn)行判斷進(jìn)而對橋梁的狀態(tài)給出一個全面的評估。
橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅包含正常運(yùn)營狀態(tài)，還包括在極端荷載（比如臺風(fēng)，地震，爆炸，船撞等）下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)。得到大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，需要對其進(jìn)行更多的深入分析和整理，首先區(qū)分出數(shù)據(jù)中的哪些部分是由于環(huán)境改變引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，哪些又是由于結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的等，然后通過圖表等形式把數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的內(nèi)在規(guī)律及變化情況表現(xiàn)出來，再對結(jié)構(gòu)的整體狀況進(jìn)行評估。
