橋梁健康監(jiān)測(cè)
2015-07-29
橋梁建成以后，由于受氣候、環(huán)境因素的影響，結(jié)構(gòu)材料會(huì)被腐蝕和逐漸老化，長(zhǎng)期的靜、動(dòng)力荷載作用，使其強(qiáng)度和剛度隨著時(shí)間的增加而降低。這不僅會(huì)影響行車安全，更會(huì)使橋梁的使用壽命縮短。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其安全性能進(jìn)行評(píng)估是橋梁運(yùn)營(yíng)日常管理的重要內(nèi)容。橋梁健康監(jiān)測(cè)具有十分重要的作用。
一、橋梁健康監(jiān)測(cè)的概念
橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
二、橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容
1、施工階段的健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容
大跨橋梁結(jié)構(gòu)由于在施工階段受到施工荷載或自然環(huán)境因素的影響而使結(jié)構(gòu)變形或受力與成橋狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求不符，因此為確保施工中橋梁結(jié)構(gòu)的安全和保證結(jié)構(gòu)物的外形和內(nèi)力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，需在施工中對(duì)其進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：
?。?） 幾何形態(tài)檢測(cè)。主要是獲取已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)實(shí)際幾何形態(tài)參數(shù)，如高程、跨度、結(jié)構(gòu)或纜索的線形、構(gòu)造物的變形和位移等。
?。?） 橋梁結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)。這是橋梁施工階段安全監(jiān)測(cè)最重要的內(nèi)容，包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，它是橋梁施工過(guò)程的安全預(yù)警系統(tǒng)。
?。?）索力監(jiān)測(cè)。大跨徑橋梁采用斜拉橋和懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)越來(lái)越普遍，斜拉橋的斜拉索、懸索橋的主纜索及吊索的索力是設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是橋梁安全監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。
?。?） 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。主要對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的張拉真實(shí)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力管道摩阻導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失以及永久預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
?。?） 溫度監(jiān)測(cè)。對(duì)大跨徑橋梁，特別是斜拉橋或懸索橋，其溫度效應(yīng)十分明顯，斜拉橋的斜拉索隨溫度變化的伸縮，將直接影響主梁的標(biāo)高；懸索橋主纜索的線形也將隨溫度而變化，此時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要。
?。?） 下部結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。對(duì)于斜拉橋和懸索橋等特大型橋梁，其構(gòu)筑物基礎(chǔ)分布集中，荷載集度通常非常大，因而必須對(duì)地基的內(nèi)外部變形、地錨的應(yīng)力以及主塔樁基的軸力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2 運(yùn)營(yíng)階段的健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容及使用的傳感器
?。?）荷載監(jiān)測(cè)。包括風(fēng)、地震、溫度、交通荷載、聲荷載等。所使用的傳感器有：風(fēng)速儀——記錄風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得到風(fēng)功率譜；溫度計(jì)——記錄溫度、溫度差時(shí)程歷史；動(dòng)態(tài)地稱——記錄交通荷載流時(shí)程歷史，連接數(shù)據(jù)處理后可得交通荷載譜；強(qiáng)震儀——記錄地震作用；攝像機(jī)——記錄車流情況和交通事故等。
?。?）表面形貌監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)橋梁各部位的靜態(tài)位置、動(dòng)態(tài)位置、沉降、傾斜、線形變化、位移、裂紋、斑點(diǎn)、凹坑等。所使用的傳感器有：位移計(jì)、傾角儀、GPS、電子測(cè)距器（EDM）、數(shù)字像機(jī)等。
?。?）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)變、應(yīng)力、索力、動(dòng)力反應(yīng)（頻率模態(tài)）、扭矩等。所使用的傳感器有：應(yīng)變儀——記錄橋梁靜動(dòng)力應(yīng)變、應(yīng)力，連接數(shù)據(jù)處理后可得構(gòu)件疲勞應(yīng)力循環(huán)譜；測(cè)力計(jì)（力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷）——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史；加速度計(jì)——記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應(yīng)加速度，連接數(shù)據(jù)處理后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
?。?）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、沖擊、機(jī)械導(dǎo)納以及模態(tài)參數(shù)等。
?。?）性能趨向監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標(biāo)等。
?。?）非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施。監(jiān)測(cè)支座、振動(dòng)控制設(shè)施等。
對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，由于影響其工作性能的控制因素不同，所以監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)各不相同。同一物理參數(shù)對(duì)不同的結(jié)構(gòu)又具有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇是至關(guān)重要的一步。通常對(duì)于大型橋梁結(jié)構(gòu)而言，常以振動(dòng)監(jiān)測(cè)、荷載監(jiān)測(cè)、強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和表面形貌監(jiān)測(cè)為主要目標(biāo)，且通常選擇靈敏度高的特征參數(shù)或幾種參數(shù)聯(lián)合使用作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。完善的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論、施工質(zhì)量，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)局部和整體服役狀態(tài)、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷、抗力衰減及其演化規(guī)律，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷及其位置。進(jìn)行橋梁安全性、耐久性評(píng)定與預(yù)測(cè)以及橋梁安全事故預(yù)警等等。但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不能完全取代傳統(tǒng)的人工檢查，而只是配合人工檢查，但對(duì)于大跨橋梁來(lái)說(shuō)，有了可靠的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，至少可以縮小人工檢查的范圍，加快損傷識(shí)別的速度。
三 橋梁監(jiān)測(cè)方法
1 基于動(dòng)力的健康監(jiān)測(cè)方法
目前研究中的大部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，集中于使用動(dòng)力響應(yīng)來(lái)檢測(cè)和定位損傷，因?yàn)檫@些方法是整體的檢測(cè)方法，可以對(duì)大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行快速的檢測(cè)。這些基于動(dòng)力學(xué)的方法可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時(shí)域方法，④頻域方法。其中空間域方法根據(jù)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣的改變來(lái)檢測(cè)和確定損傷位置；模態(tài)域方法根據(jù)自振頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型的改變來(lái)檢測(cè)損傷；在頻域方法中，模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比和振型等是確定的，從非線性自回歸移動(dòng)平均模型估計(jì)出光譜分析逆動(dòng)力問(wèn)題和廣義頻率響應(yīng)函數(shù)被用于非線性系統(tǒng)的識(shí)別。在時(shí)域方法中，系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)來(lái)確定；如果結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性在外部荷載作用下隨時(shí)間改變，那么有必要確定由時(shí)域方法得出的系統(tǒng)動(dòng)力特性在時(shí)間上的改變。進(jìn)一步地，可以使用四種域中提出的任何動(dòng)力響應(yīng)，采用與模態(tài)無(wú)關(guān)或與模態(tài)相關(guān)的方法進(jìn)行損傷檢驗(yàn)。文獻(xiàn)資料顯示：模態(tài)無(wú)關(guān)的方法可以檢測(cè)出損傷的存在而無(wú)需大量的計(jì)算，但在確定損壞位置時(shí)并不精確；另一方面，模態(tài)相關(guān)的方法比與模態(tài)無(wú)關(guān)的方法相比：通常在確定損傷位置上更加精確且只需更少的傳感器，但該方法要求有恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型和大量的計(jì)算。雖然時(shí)域方法使用傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x器得到的原始時(shí)域數(shù)據(jù)，這些方法要求某些結(jié)構(gòu)信息和大量的計(jì)算，且具有個(gè)案特性。此外，頻域方法和模態(tài)域方法使用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，但轉(zhuǎn)換存在誤差和噪音。而且，在空間域方法中，質(zhì)量和剛度矩陣的建模與修正還存在問(wèn)題且難以精確。將兩三種方法結(jié)合起來(lái)檢測(cè)和評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷具有很強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)。例如，幾位研究者將靜載測(cè)試和模型測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)評(píng)估損傷，這樣可以克服各自方法的缺點(diǎn)并相互檢查，與損傷檢測(cè)的復(fù)雜性相適應(yīng)。
2 聯(lián)合靜動(dòng)力的健康監(jiān)測(cè)方法
靜力參數(shù)（位移與應(yīng)變等）是根據(jù)靜力荷載如在橋上緩慢移動(dòng)的車輛引起的變形進(jìn)行量測(cè)。在許多情況下，施加靜力荷載比動(dòng)力荷載更為經(jīng)濟(jì)，對(duì)于狀況評(píng)估，許多應(yīng)用只需要單元?jiǎng)偠取Ｔ谶@些情況下，靜力測(cè)試和分析即簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。通常的橋梁監(jiān)測(cè)中都需要監(jiān)測(cè)靜態(tài)應(yīng)變（和動(dòng)態(tài)應(yīng)變）、靜力位移（和動(dòng)撓度）以及相應(yīng)的環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)荷載。
既然自振頻率、振型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力響應(yīng)都是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)可通過(guò)比較數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的靜動(dòng)力特性和試驗(yàn)確定的靜動(dòng)力特性值得到。損傷發(fā)展的結(jié)果之一是局部剛度的減小，從而導(dǎo)致一些響應(yīng)的改變；因此，對(duì)損傷檢測(cè)和評(píng)估，綜合結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)是非常必要的。根據(jù)這一思想，結(jié)合靜態(tài)應(yīng)變、靜態(tài)位移與動(dòng)力響應(yīng)（即振型或模態(tài)柔度等）來(lái)確定損傷位置和識(shí)別損傷程度，幾種算法綜合起來(lái)用于改進(jìn)參數(shù)識(shí)別的靈敏度和提高解答過(guò)程的可靠度，靜力和動(dòng)力響應(yīng)被用來(lái)校準(zhǔn)識(shí)別的置信度水平。
聯(lián)合靜動(dòng)力的損傷識(shí)別通常需要進(jìn)行有限元模型修正，因?yàn)橛邢拊Ｐ偷恼`差可能比損傷的變化要大，所以有限元模型必須先用測(cè)得的模態(tài)特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模態(tài)修正的結(jié)果才是可靠的。其他的方法包括統(tǒng)計(jì)損傷識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法、子結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、基于小波變換的損傷識(shí)別等等，但是目前大多只停留在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單模型或數(shù)值模型，用于真正實(shí)橋的損傷識(shí)別和健康診斷還有很長(zhǎng)的路要走。
