橋梁健康監(jiān)測工程界研究的熱點
2015-07-13
作為交通系統(tǒng)的組成部分，橋梁在人類文明的發(fā)展和演化中起到了重要作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及運輸需求的不斷增長，大型橋梁（如跨海大橋、大跨度橋梁等）越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中，這些橋梁造價動輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。 然而，橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。據(jù)統(tǒng)計，如今在美國近60萬座橋梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美國每年橋梁投資90%用于更新維修舊橋，只有10%用于新建橋梁。
我國現(xiàn)有公路橋5000余座，總長130萬公里，1/3以上的橋梁都存在結(jié)構(gòu)性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關(guān)，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護(hù)措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測和健康監(jiān)測，已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界研究的熱點。
傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋梁的病害估計不足，就很可能失去養(yǎng)護(hù)的最佳時機，加快橋梁損壞的進(jìn)程，縮短橋梁的服務(wù)壽命。如果對橋梁的病害估計高，便會造成不必要的資金浪費，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常嚴(yán)重時發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控和評估，其信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得到改進(jìn)。再有就是橋梁健康監(jiān)測帶來的不僅僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計的反思，還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。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(jié)構(gòu)與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為和環(huán)境規(guī)律的最真實是信息。因此，橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而且被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設(shè)計驗證和研究與發(fā)展三方面的意義。
近年來，通信網(wǎng)絡(luò)、信號處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展加速了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實用化進(jìn)程。業(yè)界紛紛著手研究和開發(fā)各種靈活、高效、廉價、并且不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的長期實施監(jiān)測方法或技術(shù)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應(yīng)用不單單具有重要的現(xiàn)實意義，還具有重要的研究價值，在推動和發(fā)展智能化、數(shù)字化和信息化橋梁工程中起到了積極的作用。
隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展，大型橋梁的交通流量與日俱增，其中重車及超載車輛占了很大比例。面對日益增長的交通壓力以及橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)中的重要地位，原來 的僅靠人工手段檢測已無法滿足橋梁養(yǎng)護(hù)的要求，難以有效的防范突發(fā)事件的發(fā)生，主要表現(xiàn)在： （1） 定時檢測，間隔時間長，缺乏連續(xù)監(jiān)測資料，而且監(jiān)測數(shù)據(jù)不是動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能隨時反映出橋梁在極端受力狀態(tài)和惡劣環(huán)境下的運營狀況，起不到預(yù)防和與報道作用； （2） 高程測量由人工完成，受讀數(shù)誤差、視角、天氣、溫度等因素的影響，測量精度不高； （3） 每次檢測都需做好充分的準(zhǔn)備，從安排加載車輛，調(diào)試試驗儀器，搭設(shè)腳手架，安裝和拆除傳感器，到組織人員封閉交通，每個環(huán)節(jié)都不能疏漏，需耗費大量的人力、物力和財力，花費較長時間。 橋梁的安全、耐久性問題已經(jīng)引起了運營管理部門的高度重視，為了確保橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命，橋梁上安裝監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)具有非常重要的意義。
橋梁健康監(jiān)測的要求與內(nèi)求與內(nèi)容 橋梁變形監(jiān)測 恒載作用下主梁軸線的位置是橋梁整體安全狀態(tài)的重要標(biāo)志，活載作用下主梁的撓度既是橋梁整體剛度的重要標(biāo)志，也能反映作用于橋梁上的荷載情況，通過對橋梁變形的監(jiān)測可以從整體上把握橋梁的健康狀態(tài)。 橋梁動力特征及振動水平的監(jiān)測 橋梁動力特征包括橋梁振動的頻率、振型和阻尼比，它也是橋梁整體安全的標(biāo)準(zhǔn)。橋梁質(zhì)量的退化會引起自振特性的改變，例如在其他條件不變的情況下橋梁剛度的降低會引起橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預(yù)示著橋梁局部損傷的存在。該項內(nèi)容的監(jiān)測也能起到從整體上把握橋梁健康狀態(tài)的目的。
主梁動應(yīng)力監(jiān)測
斜拉橋的主梁及時構(gòu)成斜拉橋這一結(jié)構(gòu)體系的基本組成部分，又是車輛及人群荷載的承擔(dān)者，受活載的影響最直接，極易因異常局部荷載而引起損失，同時主梁的損傷對橋梁使用性能的影響也最直接。通過對主梁有代表性的斷面上的動應(yīng)力監(jiān)測，可以了解作為斜拉橋主要受力構(gòu)件主梁的受力狀態(tài)。這對控制車輛荷載、進(jìn)行構(gòu)建疲勞分析都十分必要。 溫度分布監(jiān)測
通過對主梁及索塔有代表性斷面上的溫度分布監(jiān)測，可以驗證設(shè)計假定或根據(jù)實際測量的結(jié)果重新計算溫度對橋梁內(nèi)梁和形的影響，以便對橋梁的安全狀態(tài)作出更加符合實際的評價（例如主梁的軸線位置和溫度有關(guān)，只有對在相同的溫度下測得的主梁軸線位置進(jìn)行比較，或換算成相同溫度下主梁軸線的位置進(jìn)行比較才有意義變
?。参覈罂缍葮蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點
１結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)與國外大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相同，我國建立的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常有如下目標(biāo)：（１）全面獲取橋梁運營狀況的信息，用來評估結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性；（２）對設(shè)計假定和設(shè)計荷載進(jìn)行驗證，為完善設(shè)計規(guī)范提供依據(jù)；（３）為橋梁養(yǎng)護(hù)、維修和管理的決策提供依據(jù)。
橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般具有以下功能：（１）能夠自動實時監(jiān)測
環(huán)境條件和橋梁結(jié)構(gòu)的物理及幾何狀態(tài)，如荷載和關(guān)鍵構(gòu)件的物理特性等，向管理部門傳送監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表；（２）能夠跟蹤監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)并對橋梁結(jié)構(gòu)的異常反應(yīng)做出緊急警報；（３）能夠評估結(jié)構(gòu)的靜力和動力安全性、耐久性和使用性，并對結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行識別，為大橋的維護(hù)管理決策提供依據(jù)。
監(jiān)測內(nèi)容主要依據(jù)橋梁的物理特性、結(jié)構(gòu)特性以及橋址環(huán)境狀況而定。
橋梁的幾何狀態(tài)和靜力動力響應(yīng)、環(huán)境和交通狀況都是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的監(jiān)測對象。
國內(nèi)外～些大跨度橋梁已經(jīng)安裝了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。然而，目前已建的監(jiān)
測系統(tǒng)的實際效果還有許多不盡如人意之處。由于現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)和費用的限制，要監(jiān)測與結(jié)構(gòu)退化以及結(jié)構(gòu)安全性相關(guān)的所有重要部位是不可能的。另外，在橋梁結(jié)構(gòu)的真實狀況和所測得的參數(shù)之間尚難以建立令人滿意的對應(yīng)關(guān)系，如何以有限的測點盡量獲取與結(jié)構(gòu)退化及安全性真正相關(guān)的信息，以及如何有效利用這些信息來評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)仍是大家所關(guān)注的研究難點。
?。参覈鴺蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點
我國已約有４０座橋梁安裝了或即將安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中多數(shù)
系統(tǒng)是２０００年以后建成的。國內(nèi)橋梁初期安裝的監(jiān)測系統(tǒng)多是傳感器為數(shù)不多的簡單系統(tǒng)，其中一些系統(tǒng)經(jīng)過幾年的運行后根據(jù)橋梁管理部門的要求進(jìn)行了升級。近年來，新建橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實施越來越趨于規(guī)范化，幾乎所有的大跨度橋梁都安裝了或考慮安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。
目前，國內(nèi)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：（１）一般來說，一個大跨度橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)由少則５０、多則３００個以上的傳感器測點組成，其費用約占到橋梁總造價的０．５％＂－－２．０％；（２）監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計理念越來越側(cè)重于為橋梁的養(yǎng)護(hù)管理提供支撐，偏重監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)而輕視測試數(shù)據(jù)處理和評價的設(shè)計方案越來越不易被橋梁業(yè)主所接受；（３）健康監(jiān)測系統(tǒng)本身的耐久性受到重視，要求傳感器和其他硬件具有可更換性，并且更換時不能影響到數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性；（４）成橋后的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與施工控制的監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容前伸到施工階段；（５）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)和評估軟件的水平有所提高，配套的專家組也被視為橋梁結(jié)構(gòu)。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為更好地維護(hù)橋梁的正常使用提供了重要保障，
相關(guān)的傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和信息處理技術(shù)的發(fā)展有利地支撐了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)。然而，這一領(lǐng)域的許多技術(shù)和理論尚不成熟，還需科研人員和工程技術(shù)人員做出長期的努力。
