摘要:橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(對簡稱:橋監(jiān),下同)對于保障橋梁使用功能、安全運(yùn)行、延長橋梁使用壽命、避免橋梁坍塌和局部破壞等嚴(yán)重事故發(fā)生有著重要的現(xiàn)實(shí)意義,近年來,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點(diǎn),本文闡述了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念、監(jiān)測系統(tǒng)、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:橋梁結(jié)構(gòu);健康監(jiān)測;監(jiān)測系統(tǒng);發(fā)展方向
1 橋梁
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念
交通是社會的經(jīng)濟(jì)命脈,橋梁是交通的咽喉,交通不暢會制約社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,所以保障橋梁的功能性、耐久性,尤其是安全性至關(guān)重要。為保證橋梁安全運(yùn)行、避免嚴(yán)重事故發(fā)生,對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測應(yīng)運(yùn)而生,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是以科學(xué)的監(jiān)測理論與方法為基礎(chǔ),采用各種適宜的檢驗(yàn)、檢測手段獲取數(shù)據(jù),為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、計(jì)算假定、結(jié)構(gòu)模型分析提供驗(yàn)證;對結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)和特性進(jìn)行分析,及早預(yù)見、發(fā)現(xiàn)和處理橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患和耐久性缺陷,診斷結(jié)構(gòu)突發(fā)和累計(jì)損傷發(fā)生位置與程度,并對發(fā)生后果的可能性進(jìn)行判斷與預(yù)測。通過對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測與評估,為橋梁在各種氣候、交通條件下和橋梁運(yùn)營狀況異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號,為橋梁維護(hù)、維修與管理措施提供依據(jù),并通過及時(shí)采取措施達(dá)到防止橋梁坍塌、局部破壞,保障和延長橋梁的使用壽命的目的。
2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)
2.1 檢測內(nèi)容
數(shù)據(jù)采集與測量的內(nèi)容主要為:變形(沉降、位移、傾斜)、應(yīng)力、動力特性、溫度、外觀檢測等。
2.1.1變形監(jiān)測采取適宜的測量手段,對橋梁主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的沉降、位移、傾斜量進(jìn)行監(jiān)測。常用監(jiān)測變形的方法有:導(dǎo)線測量法、幾何水準(zhǔn)測量法、GPS測定三維位移量法、自動極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分測量法和自動全站儀三維坐標(biāo)非接觸量測等。
2.1.2應(yīng)力監(jiān)測
橋梁運(yùn)營狀態(tài)中主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化是由于主體結(jié)構(gòu)的外部條件和內(nèi)部狀態(tài)變化引起的。外部條件主要有動荷載、氣候、侵蝕、撞擊和其他突發(fā)事件的作用等,而內(nèi)部狀態(tài)有混凝土的收縮徐變、溫度變化及預(yù)應(yīng)力損失等。應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以定量性地反映出橋梁主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力變化和性能變化情況。
2.1.3 動力特性監(jiān)測
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性與橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼值及其分布有關(guān),動力監(jiān)測是在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的條件下進(jìn)行,主要對橋梁結(jié)構(gòu)由橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振引起的微小振動響應(yīng)進(jìn)行測定。檢測項(xiàng)目主要為:主體結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型等。橋梁結(jié)構(gòu)動力檢測方法主要有:固有頻率、應(yīng)變模態(tài)
、模態(tài)置信度判據(jù)、柔度矩陣、小波分析、遺傳算法等。
2.1.4溫度監(jiān)測
通過對整橋溫度場的監(jiān)測,可以設(shè)法消除溫度變化對某些監(jiān)測過程或傳感器本身的測量精度的影響;可以了解橋梁結(jié)構(gòu)在某種溫度場下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化等情況。
2.1.5 表觀檢測
表觀檢測的主要內(nèi)容為:橋梁混凝土裂縫、強(qiáng)度、碳化深度、外觀質(zhì)量檢測、鋼梁及金屬結(jié)構(gòu)外觀及腐蝕檢測及支座、橋面鋪裝、伸縮縫、錨端連接等部位、部件的損壞情況觀察等。
2.1.6 其他監(jiān)測項(xiàng)目
2.1.6.1新方法、新儀器、新設(shè)備、新理論應(yīng)用監(jiān)測;
2.1.6.2 規(guī)范等改變導(dǎo)致橋梁使用等級改變的結(jié)構(gòu)監(jiān)測;
2.1.6.3 為獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)而設(shè)置的傳感元器件和配備的儀表、設(shè)備、裝置的校準(zhǔn)性監(jiān)測等;
2.2 數(shù)據(jù)傳輸
穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸對于保證監(jiān)測系統(tǒng)的長期運(yùn)行有著重要意義,同時(shí)是獲取有效、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)的前提,要注重并做好以下幾項(xiàng)關(guān)鍵性工作:
2.2.1 數(shù)據(jù)采傳輸?shù)耐绞菢蛄航Y(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)問題,是數(shù)據(jù)處理、分析和橋梁健康評估的基本前提條件。做到撓度、振動等子系統(tǒng)各點(diǎn)采集的時(shí)間同步性尤為重要。
2.2.2 關(guān)于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備和傳輸鏈路的合理配置與優(yōu)化。影響數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備和傳輸鏈路可靠性的因素相當(dāng)復(fù)雜,必須研究設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)合理的配置和優(yōu)化。
2.2.3關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中單點(diǎn)故障問題。系統(tǒng)需要具有單點(diǎn)故障不影響控制網(wǎng)絡(luò)其他部分的功能。
2.2.4 關(guān)于檢測系統(tǒng)自身故障的自檢與報(bào)警。系統(tǒng)能夠識別和檢查出傳感器故障、電流回路泄漏、對不可信信號電平的捕獲和子系統(tǒng)故障等,并能在系統(tǒng)主機(jī)上給出相應(yīng)的報(bào)警信息。
2.2.5 關(guān)于數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)的問題。系統(tǒng)具有能夠?qū)λO(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢、互檢和標(biāo)定的功能,是保障原始數(shù)據(jù)可靠性的重要手段。 2.2.6 關(guān)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。通過因特網(wǎng)技術(shù)可以使橋梁管理者或橋梁專家在異地對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析,是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的新需求。
2.3 數(shù)據(jù)分析處理和控制
數(shù)據(jù)分析處理與控制是指對獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、整理、加工、存貯及傳播等一系列活動的總和。它的基本環(huán)節(jié)是進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織、存貯、檢查和維護(hù)等工作。這些工作是數(shù)據(jù)處理的中心問題,一般稱之為數(shù)據(jù)管理。二十世紀(jì)六、七十年代以來,數(shù)據(jù)管理技術(shù)提高到了數(shù)據(jù)庫階段,計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的管理統(tǒng)一的由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來完成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)是:解決數(shù)據(jù)冗余問題;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;并解決由于數(shù)據(jù)共享而帶來
的數(shù)據(jù)完整性、安全性及并發(fā)控制等一系列問題。
3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展方向
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)評估主要有三個(gè)方面:承載能力、營運(yùn)狀態(tài)和耐久能力。承載能力是有關(guān)大橋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能等,其評估目的是要找出大橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲備,以避免橋梁發(fā)生災(zāi)難性的損毀。營運(yùn)狀態(tài)評估與橋梁結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件在日常荷載工作下的變形、裂縫、振動等有關(guān),其評估結(jié)果有助于合理安排養(yǎng)護(hù)維修。耐久能力的評估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對材料物理特性的影響。
目前的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中存在著監(jiān)測項(xiàng)目種類不足和個(gè)別項(xiàng)目的規(guī)模又過于龐大的情況。在監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理方面,沒有一個(gè)較為完善的數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng),大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)得不到妥善的處理與利用。并且,現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測和狀態(tài)評估系統(tǒng)大多屬于單一的監(jiān)測系統(tǒng)或者是單一的管理系統(tǒng)。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測綜合評估系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)階段予以提前考慮并做出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計(jì)有著十分重要的積極意義:設(shè)計(jì)人員可依據(jù)橋型設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、四新技術(shù)的應(yīng)用等方面采用適宜的監(jiān)測理論、方法與手段,做出符合橋梁特點(diǎn)和系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計(jì)與橋梁設(shè)計(jì)同時(shí)形成可及時(shí)、妥善地將相關(guān)監(jiān)測軟、硬件在施工、運(yùn)營過程予以配備與設(shè)置,使得監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)備與運(yùn)行工作做的更加充分與科學(xué)。
我國的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測尚處初期階段,隨著橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的深入開展,在遠(yuǎn)距離監(jiān)測、提高系統(tǒng)可靠性、完善數(shù)據(jù)處理和分析理論等方面還需要提高和完善,目前尚無現(xiàn)成的性能和數(shù)據(jù)評估方面的規(guī)范,因此探索并形成穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)、明確各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、科學(xué)獲取與處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、形成監(jiān)測規(guī)范等工作是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測今后的發(fā)展與努力方向。
