橋梁健康監(jiān)測(cè)工程界研究的熱點(diǎn)
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(yùn)輸需求的不斷增長(zhǎng)，大型橋梁（如跨海大橋、大跨度橋梁等）越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的視野中，這些橋梁造價(jià)動(dòng)輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會(huì)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(guò)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(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。這些損傷如果不能及時(shí)得到檢測(cè)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(jì)，如今在美國(guó)近60萬(wàn)座橋梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美國(guó)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(guó)現(xiàn)有公路橋5000余座，總長(zhǎng)130萬(wàn)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(lái)，我國(guó)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(cè)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(duì)現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來(lái)。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界研究的熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，往往對(duì)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(shí)反饋。如果對(duì)橋梁的病害估計(jì)不足，就很可能失去養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，加快橋梁損壞的進(jìn)程，縮短橋梁的服務(wù)壽命。如果對(duì)橋梁的病害估計(jì)高，便會(huì)造成不必要的資金浪費(fèi)，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。
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)狀況的監(jiān)控與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常嚴(yán)重時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，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(cè)不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控和評(píng)估，其信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)帶來(lái)的不僅僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”。橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營(yíng)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(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)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(shí)是信息。因此，橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而且被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。
近年來(lái)，通信網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展加速了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(jià)、并且不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的長(zhǎng)期實(shí)施監(jiān)測(cè)方法或技術(shù)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署和應(yīng)用不單單具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，還具有重要的研究?jī)r(jià)值，在推動(dòng)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(yùn)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(duì)日益增長(zhǎng)的交通壓力以及橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)中的重要地位，原來(lái) 的僅靠人工手段檢測(cè)已無(wú)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(shí)檢測(cè)，間隔時(shí)間長(zhǎng)，缺乏連續(xù)監(jiān)測(cè)資料，而且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不能隨時(shí)反映出橋梁在極端受力狀態(tài)和惡劣環(huán)境下的運(yùn)營(yíng)狀況，起不到預(yù)防和與報(bào)道作用； （2） 高程測(cè)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(cè)量精度不高； （3） 每次檢測(cè)都需做好充分的準(zhǔn)備，從安排加載車輛，調(diào)試試驗(yàn)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(gè)環(huán)節(jié)都不能疏漏，需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。 橋梁的安全、耐久性問(wèn)題已經(jīng)引起了運(yùn)營(yíng)管理部門的高度重視，為了確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)橋梁使用壽命，橋梁上安裝監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有非常重要的意義。
橋梁健康監(jiān)測(cè)的要求與內(nèi)求與內(nèi)容 橋梁變形監(jiān)測(cè) 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(guò)對(duì)橋梁變形的監(jiān)測(cè)可以從整體上把握橋梁的健康狀態(tài)。 橋梁動(dòng)力特征及振動(dòng)水平的監(jiān)測(cè) 橋梁動(dòng)力特征包括橋梁振動(dòng)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(huì)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(huì)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(xiàng)內(nèi)容的監(jiān)測(cè)也能起到從整體上把握橋梁健康狀態(tài)的目的。
主梁動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)
斜拉橋的主梁及時(shí)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(shí)主梁的損傷對(duì)橋梁使用性能的影響也最直接。通過(guò)對(duì)主梁有代表性的斷面上的動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，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(duì)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(cè)
通過(guò)對(duì)主梁及索塔有代表性斷面上的溫度分布監(jiān)測(cè)，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定或根據(jù)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果重新計(jì)算溫度對(duì)橋梁內(nèi)梁和形的影響，以便對(duì)橋梁的安全狀態(tài)作出更加符合實(shí)際的評(píng)價(jià)（例如主梁的軸線位置和溫度有關(guān)，只有對(duì)在相同的溫度下測(cè)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?guó)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)
?。苯Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)與國(guó)外大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相同，我國(guó)建立的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常有如下目標(biāo)：（１）全面獲取橋梁運(yùn)營(yíng)狀況的信息，用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性；（２）對(duì)設(shè)計(jì)假定和設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行驗(yàn)證，為完善設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)一般具有以下功能：（１）能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
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(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表；（２）能夠跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的異常反應(yīng)做出緊急警報(bào)；（３）能夠評(píng)估結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力安全性、耐久性和使用性，并對(duì)結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行識(shí)別，為大橋的維護(hù)管理決策提供依據(jù)。
監(jiān)測(cè)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(dòng)力響應(yīng)、環(huán)境和交通狀況都是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)對(duì)象。
國(guó)內(nèi)外～些大跨度橋梁已經(jīng)安裝了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而，目前已建的監(jiān)
測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際效果還有許多不盡如人意之處。由于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)和費(fèi)用的限制，要監(jiān)測(cè)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(shí)狀況和所測(cè)得的參數(shù)之間尚難以建立令人滿意的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如何以有限的測(cè)點(diǎn)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(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)仍是大家所關(guān)注的研究難點(diǎn)。
?。参覈?guó)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)
我國(guó)已約有４０座橋梁安裝了或即將安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中多數(shù)
系統(tǒng)是２０００年以后建成的。國(guó)內(nèi)橋梁初期安裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多是傳感器為數(shù)不多的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，其中一些系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行后根據(jù)橋梁管理部門的要求進(jìn)行了升級(jí)。近年來(lái)，新建橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施越來(lái)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(cè)系統(tǒng)。
目前，國(guó)內(nèi)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（１）一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)大跨度橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由少則５０、多則３００個(gè)以上的傳感器測(cè)點(diǎn)組成，其費(fèi)用約占到橋梁總造價(jià)的０．５％＂－－２．０％；（２）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念越來(lái)越側(cè)重于為橋梁的養(yǎng)護(hù)管理提供支撐，偏重監(jiān)測(cè)內(nèi)容和技術(shù)而輕視測(cè)試數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)方案越來(lái)越不易被橋梁業(yè)主所接受；（３）健康監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)系統(tǒng)與施工控制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容前伸到施工階段；（５）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)和評(píng)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(zhǎng)期的努力。
