橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
2015-06-24
引言
橋梁的生命過(guò)程一般包括規(guī)劃與論證、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理以及養(yǎng)護(hù)維修等幾個(gè)階段，以往人們往往只關(guān)注設(shè)計(jì)與施工階段，但橋梁在建造和使用過(guò)程中由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車(chē)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(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。由于缺乏對(duì)橋梁的科學(xué)監(jiān)測(cè)與管理，橋梁的健康狀況信息得不到及時(shí)反饋，國(guó)內(nèi)外，因橋梁的突然倒塌與破壞造成人車(chē)墜毀的重大事故屢見(jiàn)不鮮，不僅影響了交通還帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在這種情況下，人們對(duì)現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命才逐漸關(guān)注起來(lái)，尤其是隨著橋梁分析理論、施工技術(shù)、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁的結(jié)構(gòu)越來(lái)越柔，跨度越來(lái)越大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。本文首先概述了橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的概念及重要意義，然后對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用實(shí)例也作了簡(jiǎn)要介紹。
橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介
橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Bridge Health Monitoring System，BHMS）是一個(gè)融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)、安全性評(píng)估技術(shù)等的新興技術(shù)。1997年，Housner等對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行了定義：“在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)和分析，其目的是：如果有損傷，則進(jìn)行損傷識(shí)別、確定損傷的位置、估計(jì)損傷的嚴(yán)重程度并評(píng)價(jià)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)影響后果”。即一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須同時(shí)能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和狀況評(píng)估。
目前，大型橋梁的健康監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修得不到應(yīng)有的重視，往往是在出現(xiàn)問(wèn)題后才亡羊補(bǔ)牢。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法由于其滯后性、效率低，造成橋梁管理成本的提高與資源配置的不合理，已跟不上橋梁發(fā)展的需求。在這種情況下，建立橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定系統(tǒng)，能夠大大提高檢測(cè)效率，實(shí)時(shí)掌握橋梁狀態(tài)變化，評(píng)價(jià)橋梁的承載能力和使用功能，以及橋梁的安全可靠性，其意義在于：
及時(shí)把握橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段的工作狀態(tài)，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全、可靠性與耐久性；
為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)；
驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)建造理論與方法，完善相關(guān)設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程，提高橋梁設(shè)計(jì)水平和安全可靠度，保障結(jié)構(gòu)的使用安全，具有重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
系統(tǒng)研究方法分析
橋梁由完好到破壞是一個(gè)逐步損傷演變的過(guò)程，直接源于環(huán)境有害物質(zhì)的侵蝕，車(chē)輛、地震、風(fēng)及各種人為因素的影響，以及材料自身性能變化等結(jié)構(gòu)損傷的存在。1971年，美國(guó)制定了國(guó)家橋梁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（NBIS），提供了檢測(cè)方法的細(xì)節(jié)、檢測(cè)時(shí)間間隔和檢測(cè)人員資格的統(tǒng)一指導(dǎo)，隨后世界各國(guó)在橋梁檢測(cè)方面都有了很大的發(fā)展。
目前，通常從三個(gè)方面對(duì)橋梁損傷信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)：風(fēng)、車(chē)輛、溫度、壓力等荷載等環(huán)境作用；利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、疲勞等局部響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；位移、速度、加速度、撓度、索力、振動(dòng)特性、狀態(tài)反應(yīng)等結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)情況。
在整個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，各類(lèi)高性能智能傳感元件、信號(hào)采集與通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能處理與動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)損傷識(shí)別、定位與模型修正系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、安全預(yù)警與可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。
結(jié)語(yǔ)
隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，橋梁綜合健康監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越趨于智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化。但是目前的檢測(cè)系統(tǒng)也普遍存在一些技術(shù)問(wèn)題，如缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，隨著信息需求量的增多，監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系越來(lái)越龐大，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點(diǎn)就成了目前研究的熱點(diǎn)；橋梁工程自身體積大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動(dòng)水平，動(dòng)態(tài)響應(yīng)易受環(huán)境狀態(tài)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等影響，目前還沒(méi)有一個(gè)損傷指標(biāo)可以全面、敏感地反映橋梁損傷狀態(tài)。
