橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
2015-06-09
0 引言
土木工程質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到國家昌盛、民族振興、人民幸福、社會安定，關(guān)系到國民經(jīng)濟的健康發(fā)展，工程質(zhì)量，人命關(guān)天，質(zhì)量責(zé)任，重于泰山。因此建設(shè)工程質(zhì)量越來越成為人們關(guān)注的熱點。尤其是橋梁工程，更是如此。如今，交通量的日益增加與服役年限的延長，運營中的橋梁結(jié)構(gòu)不可避免的存在表面和內(nèi)部缺陷，使橋梁結(jié)構(gòu)的抗力不斷衰減，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性受到嚴峻威脅。影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的不僅僅是交通量的增加，還有其他很多方面。比如建橋標準偏低。建設(shè)質(zhì)量問題、超重超限車輛、自然災(zāi)害、材料與結(jié)構(gòu)自然老化等等。 而今橋梁安全事故頻發(fā)，給人們的生命財產(chǎn)安全造成了極大的損失。眾多垮橋事故表明，橋梁的安全問題已成為重大的社會問題，人們越來越重視現(xiàn)代橋梁的安全和壽命，研究安全、客觀、可靠的橋梁安全監(jiān)測技術(shù)迫在眉睫。
1橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容。1)傳感系統(tǒng)。由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機等部分組成。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(yù)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)，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。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(jié)構(gòu)是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。
大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不單是傳統(tǒng)的以人工方法為主的檢測手段的簡單改進，而是運用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信技術(shù)及計算機技術(shù)，實時監(jiān)測橋梁在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為。一般大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾方面進行監(jiān)控：①結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼；②橋梁在正常車輛荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài)；③橋梁在突發(fā)事件(如強烈地震、意外大風(fēng)或其它嚴重事故等)之后的損傷情況；④橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實疲勞狀況；⑤橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如斜拉橋振動控制裝置)的工作狀態(tài)；⑥大橋所處的環(huán)境條件，如風(fēng)速、溫度、地面運動等。
2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些大跨度和超大跨度橋梁的相繼建成，人們對這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關(guān)注和重視，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和智能控制技術(shù)相繼運用到這些大型橋梁中，并得到了迅速發(fā)展，這項課題日益成為國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點。
在國內(nèi)，自20世紀90年代中期開始橋梁健康監(jiān)測的研究在國家科委攀登計劃B“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究”項目、國家自然科學(xué)基金資助的“橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測與狀態(tài)評估”等多個項目的支持下，在大型橋梁結(jié)構(gòu)病害調(diào)查、傳感器布點、結(jié)構(gòu)損傷識別、系統(tǒng)識別、結(jié)構(gòu)理論模型修正、結(jié)構(gòu)可靠度評定等方面開展了深入的研究。例如徐浦大橋，是上海市區(qū)南部連接浦江兩岸的又一座斜拉橋，是上海市區(qū)黃浦江上第三座斜拉橋，安裝了我國第一個橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包括：車輛荷載； 主梁標高；跨主梁跨中斷面應(yīng)力、應(yīng)變；主梁自振特征；斜拉索索力及斜拉索的振動等。徐浦大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成功實現(xiàn)了利用大量多類型的傳感器以及系統(tǒng)集成技術(shù)對結(jié)構(gòu)工作性能的連續(xù)、實時觀測。
在國外，20世紀80年代以來，在北美、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識到對橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新思路和概念，并先后開始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如丹麥的Great Belt East橋（大帶東橋）。這是一座跨徑布置為535m＋1 624 m＋535 m的懸索橋。為評估該橋結(jié)構(gòu)整體性、耐久性和可靠性，COWI公司為該橋設(shè)計了一個多達1 000個傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容包括主纜、吊桿和索夾的應(yīng)力；橋面箱梁的加速度、應(yīng)力、支撐處的位移；下部結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測、橋墩的傾角、橋塔混凝土應(yīng)變；基礎(chǔ)的土質(zhì)監(jiān)測；氣候監(jiān)測等。
目前我國的橋梁建設(shè)技術(shù)已達到世界領(lǐng)先水平，橋梁建設(shè)事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，特大型橋梁投資巨大，隨著大型橋梁的不斷建成，如何做好橋梁的運營、養(yǎng)護，隨時了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況，及時對橋梁的安全進行評價已成為管理者日益需要和迫切希望解決的課題。
3橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢
綜合國內(nèi)在建幾座特大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點，我國今后橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測發(fā)展的趨勢為：
1) 由單一的、有限范圍的主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測向全橋全面、系統(tǒng)的監(jiān)測發(fā)展，最終形成統(tǒng)一的綜合管理系統(tǒng)。
2) 由單一的數(shù)據(jù)采集、保存轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后期處理與分析。健康評估系統(tǒng)日趨完善，評估成果可以成為運營管理者的決策依據(jù)。
3) 系統(tǒng)技術(shù)上將更加先進、可靠。
4) 系統(tǒng)將具有更好的開放性，可以進行多形式的國際間的合作。
5) 具備更好的操作界面和實用性，更能適合我國國情和具體養(yǎng)護技術(shù)人員的實際操作。
橋梁健康監(jiān)測它已成為近年來國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點。但是由于橋梁結(jié)構(gòu)受到許多不確定性因素和復(fù)雜工作環(huán)境的影響，以及對橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，因此目前所取得的成就和研究還處于基礎(chǔ)性探索階段，還需廣大橋梁工作者和研究人員的不斷努力和探索，特別是長期觀測的智能控制研究，使得橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟新的空間。
4結(jié)語
與歐美、日本等發(fā)達國家相比，我國還不能稱為“橋梁強國”。這并不是說我國缺乏世界級的橋梁，而是因為我國橋梁現(xiàn)代化管理與養(yǎng)護相對于橋梁建設(shè)而言嚴重滯后，橋梁管養(yǎng)的信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平低。 因此要想成為真正的橋梁強國，我們國家在橋梁長期健康監(jiān)測方面還需要做很多的探索與研究。
隨著我國改革開放的不斷深入，交通基礎(chǔ)設(shè)施和大型橋梁的建設(shè)得到了前所未有的關(guān)注，橋梁垮塌事件頻發(fā)給橋梁工程技術(shù)人員和管理人員敲響了警鐘，橋梁健康檢測的意義和作用已逐步為橋梁建設(shè)者、技術(shù)人員和管理人員所認識。橋梁安全監(jiān)測正逐漸向規(guī)范化、信息化、系統(tǒng)化發(fā)展，它也必將成為國內(nèi)外橋梁建設(shè)以及運營過程中一個不可或缺的項目。
由于對橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，因此距離實用性的系統(tǒng)目標尚有較大的差距，需要新的理論突破及現(xiàn)代科技、材料、信息技術(shù)、經(jīng)濟等的進步來促進橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展。
