大跨度橋梁健康監(jiān)測與施工控制
2015-12-29
序 言
近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁進入了人們的視野，橋梁健康監(jiān)測一躍成為土木工程界研究的熱點，而GPS定位技術的飛速發(fā)展正好給橋梁健康監(jiān)測注入了新的血液。因此，基于GPS的大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應運而生，并且已經(jīng)取得了一定的進展。隨著監(jiān)測技術的不斷提高，監(jiān)測數(shù)據(jù)的容量急劇上升，為了使監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結果有更直觀的輸出形式，監(jiān)測可視化也逐漸進入了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的范疇。GPS定位、OpenGL可視化、橋梁結構分析及健康評估等都是很有必要進行系統(tǒng)研究的，對橋梁結構動態(tài)特性分析進行研究。然后從橋梁健康評估系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能出發(fā)，總體上把握橋梁健康評估系統(tǒng)的構建流程，分析其功能組成，預警功能的實現(xiàn)等。同時，隨著我國國力的不斷增強和壯大，隨著交通事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁跨度越來越大，施工的難度也就越來越大，橋梁施工控制是確保施工質量和安全的重要環(huán)節(jié)，有著重要的現(xiàn)實意義，因此，結合工作實踐分析其時空控制方法，研究其施工期間的技術規(guī)范和方法是非常有必要的，我相信我國的橋梁施工技術水平會越來越發(fā)展壯大！
第一章 大跨度橋梁健康監(jiān)測
橋梁健康監(jiān)測是通過對于橋梁相關荷載、變形、環(huán)境、材料等情況的數(shù)據(jù)采集和分析，評價橋梁結構及其附屬設施在正常環(huán)境與交通條件下的工作狀態(tài)，評價耐久性，并作為橋梁的維護、加固、棄用的必要的依據(jù)。
1.1監(jiān)測內容
（1）荷載監(jiān)測。包括風荷載、地震荷載、雪荷載、水流相關荷載、錨室主纜索股拉力等。
?。?）交通情況。車載、車速、車流量、行人流量。
?。?）位移、轉角、變形監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各部位的靜態(tài)位置和靜態(tài)位移，如橋塔和錨碇的沉降和傾斜、主纜和加勁梁的線型變化、橋跨撓度、基礎變位與沉降、伸縮縫變化等。
（4）應力監(jiān)測。
?。?）橋梁結構工作環(huán)境。如溫度、濕度、風速、風向、水流特征等。（6）非結構部件及輔助設施的使用情況。
1.2監(jiān)測設備
監(jiān)測設備 ：
位移計 記錄結構的靜動力變形
傾角儀 記錄結構的靜動力轉角
應變儀 記錄橋梁構件的靜動力應變和應力
測力計(力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷)
記錄荷載
加速度計 記錄結構各部位的反應加速度
風速儀 記錄風向、風速進程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后
可得風功率譜
溫度計 記錄溫度、溫度差時程歷史動態(tài)地秤
記錄交通荷載流時程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得交通荷載譜GPS 記錄關鍵點位移變化強震儀；記錄地震作用。
攝像機 記錄車流情況和交通事故
1.3監(jiān)測系統(tǒng)
(1)傳感系統(tǒng)：由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機等組成；
(2)信號采集與處理系統(tǒng)：實現(xiàn)多種信息源、不同物理信號的采集與預處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進行分解、變換以獲取所需要的參數(shù)并以一定的形式存儲起來；
(3)通信系統(tǒng)：將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；
(4)監(jiān)控中心（結構分析與健康評估中心）[1]：是利用可實現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷的位置和程度等．通過分析和判斷，從而對結構的健康狀態(tài)作出評估．若結構出現(xiàn)異常行為，則由監(jiān)控中心發(fā)出預警信號，并對檢測出來的損傷進行定性、定位和定量分析，同時提供維修建議。
1.4監(jiān)測過程
1.5 監(jiān)測方法
對于橋梁的變形監(jiān)測的分析，常用的方法主要有回歸分析法、時間序列分析法、頻譜分析法、卡爾曼濾波法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、小波分析法和系統(tǒng)論方法等。
1.5.1 人工定期檢測
以人工定期檢測為特征的橋梁健康監(jiān)測保障體系，其測試手段雖然較1971年美國國家橋梁監(jiān)測標準(NBIS)頒布時有了長足的發(fā)展，但這類方法所固有的缺陷卻依然存在：① 要預先知道損傷發(fā)生的大概位置；② 一些重要的結構內部及人員、設備不易到達處的損傷不易被外觀檢查所發(fā)現(xiàn)；③ 檢查設備昂貴，結果6需專業(yè)人員的專門知識解釋，帶有很大主觀性；④ 檢查過程太長，不能應付突發(fā)事件后，迅速查明結構狀態(tài)，為橋梁管理部門及時提供決策依據(jù)的要求。因此以人工定期檢測作為橋梁健康狀況的監(jiān)測手段一般只用于中小跨度的非重要橋梁，在技術日益進步的今天，大跨度橋梁的監(jiān)測慢慢形成了以傳感器-模擬計算為主要核心的現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)，人工定期檢測一般只用于非結構性部件的維護管理。
1.5.2 基于GPS的大跨度橋梁變形監(jiān)測
GPS技術可以克服傳統(tǒng)的橋梁結構監(jiān)測方法的缺點，測定位移值的精度可以達到厘米級(RTK)甚至毫米級(相對靜態(tài))的精度． GPS可以實時地得到監(jiān)測點的三維坐標，特別是可實現(xiàn)多點同步觀測，受外界影響小，數(shù)據(jù)采集方便，可實現(xiàn)實時性、自動化管理．利用GPS RTK技術可以用于大型橋梁的三維位移實時動態(tài)測量，可以測得橋梁在風荷載、隨機車輛荷載以及溫度變化等因素影響下的位移和變形，并分析這些因素影響下的振動規(guī)律和頻率特性．隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，可以分析總結橋梁實際運行的規(guī)律，驗證大橋的設計參數(shù)和設計理論．GPS變形監(jiān)測網(wǎng)一般由一個或若干個獨立觀測環(huán)構成，以三角形和大地四邊形組成的混合網(wǎng)的形式布設[2]。三維基準點應在河岸兩側均勻分布，設置在巖土結構穩(wěn)定的地方(最好是直接嵌固在硬巖出露的天然巖石上)，必要時應設置鉆孔式深埋標志．三維基準點應設置強制歸心觀測墩，為方便全站儀的輔助觀測，強制歸心觀測墩應可強制歸心聯(lián)結反射棱鏡、全站儀、GPS接收天線。橋梁變形監(jiān)測的三維形變點由若干個形變觀測點構成．形變觀測點應根據(jù)橋型、承載特征等因素靈活設置．通常兩端橋臺的內側、橋墩的頂端、橋面橋跨的中點、橋塔的頂端、橋塔的根部都是應該設置形變觀測點的地方．形變觀測點也應設置強制歸心觀測墩，觀測墩上可強制歸心聯(lián)結反射棱鏡、GPS接收天線。如果運用可視化技術可以直觀地實時描述橋梁關鍵部位的位移情況、橋梁整體位移情況，可以用于大橋運營的安全性管理上，國內外的多項實例表明，GPS技術在大型橋梁變形監(jiān)測中具有廣闊的應用前景．
1.5.3基于振動的結構的健康監(jiān)測(損傷診斷技術)
對于遭受不同程度破壞的結構，其自身的結構參數(shù)及其響應必然與結構健康時不同，因此可以運用這些變化來反推結構是否發(fā)生損傷，即可以將結構損傷檢測看作是對結構本身參數(shù)及其響應的參數(shù)識別問題[3]。其理論核心為基于振動的損傷識別技術(其基本思想認為損傷將顯著改變結構的剛度、質量或耗能能力，進而引起所測結構動力特征或響應的改變，通過從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取全橋不同部位動力參數(shù)信息或其衍生信息，并比對結構無損狀態(tài)下的相應信息．來實現(xiàn)結構的健康檢測與評估)。理論上，這一概念用于對橋梁結構損傷與老化的診斷。
1.5.4人工神經(jīng)網(wǎng)絡法
人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法是8O年代以來得到廣泛關注的一種模擬人體神經(jīng)機理來研究客觀事物的新方法，其高效并行的信息處理的方式(學習／訓練，計算／識別)將反問題正問題化，故特別適于對大型反問題(如結構的損傷診斷)的求解。香港理工大學以香港的青馬、汀九和汲水門3座大跨橋為背景運用ANN方法對大跨橋的健康和安全狀態(tài)的監(jiān)測方法進行了探討[4]。注意到當前大多數(shù)的基于ANN的損傷識別方法學習模式都為“指導”型如廣泛使用的BP網(wǎng)絡，對于大型復雜結構就存在一個問題即大數(shù)目的自由度數(shù)造成損傷的情況數(shù)(網(wǎng)絡的訓練樣本)過大，不但給網(wǎng)絡收斂帶來困難且往往不可能窮盡所有情況。自組織神經(jīng)網(wǎng)絡為無“指導”的向量競爭算法，只需輸入不需輸出，網(wǎng)絡會自動根據(jù)輸入資料的規(guī)律和自身功能進行權重的調整，雖然目前對其訓練機理還不能說完全清楚，但可預見是ANN 方法用于結構損傷診斷的一個重要發(fā)展方向。
1.5.5 應力監(jiān)測
目前已經(jīng)發(fā)展起來的索力監(jiān)測技術主要有5種：壓力表法、測力環(huán)法、頻譜法、磁通量法以及光纖傳感技術[7]。
1.6 工程應用
?。?）丹麥對總長1 726 m的Fa roe跨海斜拉大橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測;
?。?）墨西哥對總長1 543 m的Tamp ico斜拉橋進行了動力特性測試并比較了環(huán)境激振和傳統(tǒng)振動試驗的效果;
?。?）英國在總長522 m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風荷載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結構溫度場。
?。?）中國自20世紀90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的長期監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的Lantau Fixed Crossing和青馬大橋、內地的虎門大橋、徐浦大橋，江陰長江大橋等在施工階段己安裝健康監(jiān)測用的傳感設備，以備運營期間的實時監(jiān)測。
?。?）蘇通大橋建立了健康監(jiān)測評估以及在武漢陽邏公路大橋完成了光纖光柵橋
梁施工控制及健康監(jiān)測系統(tǒng);
?。?）江蘇省境內的潤揚長江大橋的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)除了對大橋的車流量、車
輛荷載狀況(車載、車速及車流量) 、橋址處的氣候環(huán)境(風速、風向) 、地動脈、索塔沉降等進行檢測以外，還對南汊懸索橋的主跨縱向、橫向、豎向位移、載面的壓力分布、溫度等，錨室主纜索股拉力、索塔的振動特性，北汊斜拉橋的斜拉索拉力、斜拉索振動、主梁線型、索塔的振動等特性進行了連續(xù)監(jiān)測。[5]
2．大跨度橋梁工程控制
施工控制是隨施工過程中的預測、實測、評估及反饋、再預測的循環(huán)控制逐漸實現(xiàn)的，它是將實用的結構現(xiàn)場測試技術和計算分析技術應用于施工，并結合施工過程形成結構評估、監(jiān)測及反饋控制的安全及質量技術控制系統(tǒng)。其目的是通過監(jiān)控監(jiān)測及計算預測、評估使施工過程處于安全、可控狀態(tài)，成橋后橋梁結構內力及線形滿足設計目標要求；同時，通過監(jiān)控計算及詳細分析提高施工精度，優(yōu)化施工順序，保證施工順利進行。因此，施工控制既是橋梁施工質量的保證措施，又是施工過程安全的保證措施。
2.1施工控制任務和工作內容
(1)幾何(變形)控制。
橋梁結構在施工過程中產(chǎn)生變形，且變形受到諸多因素的影響，極易使橋梁結構在施工過程中的實際位置偏離預期目標，使橋梁難以順利合龍，或者成橋線形與設計不符。施工控制過程中以允許誤差來進行控制，一旦超過允許范圍要分析原因，進行后續(xù)調整。
(2)應力控制。
橋梁施工過程、成橋狀態(tài)的受力情況是否與設計相符是施工控制要明確的重要問題。一般通過關鍵斷面的應力監(jiān)測，同計算結果進行校核。主要控制預應力、索力、頂推力等，確保結構安全。在施工過程中，一些大型臨時設施(支架、掛籃、纜索吊系統(tǒng)等)對橋梁施工安全有直接影響，也要引起高度重視。
(3)穩(wěn)定控制。
橋梁結構的穩(wěn)定性關系到橋梁結構的安全，它與橋梁的強度有著同等的甚至更重要的意義。世界上不少橋梁在施工過程中是由于失穩(wěn)而導致破壞的。橋梁施工過程中不僅要嚴格控制變形和應力，還要嚴格控制施工各階段結構構件的局部和整體穩(wěn)定。目前主要通過穩(wěn)定分析計算，得到穩(wěn)定安全系數(shù)，并結合結構的應力、變形情況來綜合評定、控制其穩(wěn)定性[6]。
(4)影響性因素分析。
對于大跨度橋梁影響監(jiān)控測試結果的因素較多(如溫度等)，為及時、有效、準確地反饋橋梁控制性參數(shù)，必須對各關鍵性因素進行影響性分析，以保證測試結果的有效性。
2.2 影響橋梁施工控制的因素
影響橋梁施工控制的因素有：結構參數(shù)，包括結構截面尺寸、材料容重、材料彈性模量、材料熱脹系數(shù)、施工荷載、預應力和索力等；施工工藝；施工監(jiān)測；結構計算模型；溫度變化；收縮、徐變；施工管理；監(jiān)控組織體系。特別是結構參數(shù)、溫度變化、收縮徐變等影響因素，一般需要在前期施工控制計算時進行敏感性分析，確定對橋梁施工結構行為影響較大的因素，以便于對計算模型、參數(shù)的修正調整。
2.3施工控制中方法
（1） 開環(huán)控制。
即單向控制，在各構件中安裝誤差影響不大時，這種方法是簡單可行的。因此一般只用于中小橋，而不用于大跨度橋梁。10
?。?） 反饋控制。
大跨度橋梁結構復雜，誤差會在施工階段不斷積累，最終導致結構線型和內力出現(xiàn)較大偏離。因此需要在誤差出現(xiàn)時進行反饋計算，這就形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
?。?） 自適應控制[8]
對某一工況，以前的累計誤差已經(jīng)被調整掉，由于計算模型中參數(shù)差距的存在，以后的施工中仍然會出現(xiàn)新的誤差，因此又需要新一輪的調整，這樣將大大增加施工的工序。這時就需要采取自適應控制方法
?。?） 綜合方法。
大跨度橋梁往往采用最優(yōu)控制、模糊控制、預測控制、專家系統(tǒng)控制等方法進行綜合控制，以此達到對于工況的控制
2.4具體橋梁類型的工程控制
2.4.1 大跨度懸索橋
(1)懸索橋是由剛度相差很大的構件(索、吊桿、梁)組成的高次超靜定結構，與其他形式的橋相比，具有顯著可撓的特點。在整個施工過程中，懸索橋結構的幾何形狀變化較大。
(2)懸索橋結構幾何形狀對溫度變化非常敏感，溫度變化將引起懸索橋結構幾何
形狀的較大改變。
(3)施工各階段中消除誤差比較困難。在懸索橋的施工過程中，主纜一旦施工完畢，無法調整其長度，而且吊桿的長度也無法像斜拉橋施工中對斜拉索的重復張拉那樣進行調整，僅可通過墊片微幅調整[9]。
2.4.2大跨度連續(xù)剛構橋
(1)施工一個梁段稱為一個階段，為了改善施工過程中的掛籃和混凝土主梁的受力，每階段分成4個工況：掛籃前移并定位立模；主梁混凝土澆筑一半；澆注全部混凝土；預應力張拉。
(2) 主梁撓度觀測
測點布置：每一梁段懸臂端截面梁頂設立三個標高觀測點，同時也作為坐標觀測點。測點須用短鋼筋預埋設置并用紅漆標明編號。當前現(xiàn)澆梁段懸臂端截面同時設立三個標高觀測點，作為當前梁段控制截面梁底標高用，并給出對應的測點的高程關系。其中上、下游觀測點作為長期監(jiān)控觀測點，同時應注意岸上基準點的設置和保護。[10]
測試方法：用精密水準儀測量測點標高。根據(jù)理論計算，確定復測頻率為3個梁段一次。
(3)墩頂水平變位及墩身垂直度測量
測點布置：主墩頂、底上、下游各設1～2個測點，測點位置選在墩頂、底便于觀測的可靠位置處。墩頂、底觀測點應測出相對坐標。
測試方法：用全站儀測量。
(4)截面鋼筋應力或混凝土應變觀測。
2.4.3大跨度斜拉橋[11]
斜拉橋施工控制首先是根據(jù)橋的構形、受力及結構特點借助有限單元法和優(yōu)化理論確定成橋的理想狀態(tài)，然后用倒（防屏蔽）退法反算出每一節(jié)段主梁的理論標高和斜拉索的初始索力．再根據(jù)實際施工情況采用前進分析法計算出施工過程每一節(jié)段的主梁標高和斜拉索索力，同時利用各種儀器設備實測出各節(jié)段主梁標高、內力和斜拉索索力，受各種因素的影響，這三者之間一般不會閉合．如何調整這三組數(shù)據(jù)使它們趨于一致，以達到成橋狀態(tài)在設計允許范圍內就是施工控制的任務與目標。
3.總結與展望
橋梁建造水平是一個國家土木工程能力與建造水平的重要指標，而大跨度橋梁的建造、監(jiān)測、控制、管理技術是橋梁建造水平的重要指標。目前，大跨度橋梁在我國得到了越來越多的應用，相應的技術日趨成熟。相信隨著技術的進步和工程實踐經(jīng)驗的增加，大跨度橋梁的健康監(jiān)測與工程控制將達到更高的水平。
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