橋梁健康檢測與安全監(jiān)控
更新時間：2021-04-10 17:51
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通過建立一個先進(jìn)實(shí)用的橋梁健康與安全狀況監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時掌握橋梁運(yùn)營狀況，實(shí)現(xiàn)大橋服務(wù)水準(zhǔn)的實(shí)時安全報(bào)警，合理配置大橋養(yǎng)護(hù)維修資源，為降低橋梁運(yùn)營維護(hù)成本提供科學(xué)的依據(jù)，保證大橋檢查維修策略的制訂具有針對性、及時性和高效性。
關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測 橋梁承載力 養(yǎng)護(hù)維護(hù) 累計(jì)損傷 損傷評估
1、引言
橋梁是投資巨大使用周期長的大型基礎(chǔ)設(shè)施，因此其使用的安全性對橋梁本身及國民經(jīng)濟(jì)有著舉足輕重的作用。在其運(yùn)營過程中，由于荷載作用、疲勞效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生老化現(xiàn)象，損傷積累，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故，為此對橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行健康監(jiān)測，可以隨時掌握橋梁的健康狀態(tài)，使大橋的養(yǎng)護(hù)維修工作更具有理論指導(dǎo)性。建立起信息管理數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測反饋系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別，及時發(fā)現(xiàn)缺陷和損傷，從而使橋梁的可靠性評估工作標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化是非常必要的。尤其重要一點(diǎn)的是，監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論對于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造者來說都是十分寶貴的資料，這些監(jiān)測資料可以提高人們對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為以后的設(shè)計(jì)和建造提供更為可靠的依據(jù)。
橋梁健康與安全監(jiān)測應(yīng)滿足以下目的：
1）通過對使用中橋梁的跟蹤檢查及所在環(huán)境的監(jiān)測及時查明結(jié)構(gòu)現(xiàn)存缺陷和質(zhì)量衰變，并評估分析其在所處環(huán)境條件下可能的發(fā)展勢態(tài)及其對結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營造成的可能潛在威脅，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)決策提供科學(xué)的依據(jù)，以達(dá)到運(yùn)用有限的資金獲得最佳的效果，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的目的。
2）設(shè)定結(jié)構(gòu)安全預(yù)警值。對大橋結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、結(jié)構(gòu)安全可靠性進(jìn)行評估，進(jìn)而給大橋管理者提供等級預(yù)警信息。當(dāng)橋梁性能退化，超過預(yù)警值時，能給出警報(bào)，提示需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時的安全檢查和維修。
3）給出特殊事件交通管制措施控制值。對于臺風(fēng)、地震等特殊環(huán)境條件給予預(yù)警，以提示管理者進(jìn)行車輛通行的限制。
4）論證設(shè)計(jì)、施工兩階段的各種設(shè)計(jì)假設(shè)和設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性，對設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行論證后進(jìn)行后期驗(yàn)證。研究橋梁處于長期運(yùn)營狀態(tài)下的力學(xué)性能和物理性能的改變，同時也可以為橋梁的健康與安全監(jiān)測提供寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。
2 橋梁健康與安全監(jiān)測的內(nèi)容
2.1 健康項(xiàng)目需求分析
大橋健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮多種因素，全面了解橋梁的狀況才能建立一套在橋梁運(yùn)營期間內(nèi)真正適應(yīng)的系統(tǒng)。健康系統(tǒng)首先必需考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，吸取設(shè)計(jì)單位有關(guān)意見，針對不同的橋型選擇不同側(cè)重點(diǎn)的監(jiān)控項(xiàng)目及研究方法；還需要從運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修的角度出發(fā)，考慮提供詳細(xì)必要的數(shù)據(jù)給養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)措施采用決策提供科學(xué)的依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的目的，真正的做到預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)；另外還需要從監(jiān)控系統(tǒng)的自身要求來選擇合適的監(jiān)測項(xiàng)目，主要考慮測試手段的可行性、分析方法的可靠性等因素。
最初的管理系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)“糾正式維護(hù)”，這樣的管理大多屬于事故發(fā)生后的善后處理，針對性不是很強(qiáng)，也容易造成資源浪費(fèi)；有了健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測，可以提供較為充分的數(shù)據(jù)，對橋梁的健康狀況以及可能發(fā)展的趨勢有清晰的了解，根據(jù)這些信息，可以有針對性地進(jìn)行維護(hù)。做到目的明確，根據(jù)趨勢分析甚至可以做到防患于未然，節(jié)省不必要的投入。
2.2 基于養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的分析
大橋的健康與安全監(jiān)控系統(tǒng)必需與養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)相結(jié)合才能高效地發(fā)揮作用。健康與安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)心的應(yīng)該是大橋關(guān)鍵位置的重要參數(shù)，或者是人工難以監(jiān)測的部位。
根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》JTG H11—2004的相關(guān)規(guī)定，作為橋梁的基本要求，以下指標(biāo)是非常重要的：
1）墩、臺身的高度變化；墩、臺身的傾斜度變化；橋面高程水平位移情況。
2）橋跨結(jié)構(gòu)是否有異常變形、振動或者擺動。
3）墩臺與基礎(chǔ)的檢查：是否有滑動、傾斜、下沉或凍剝；基礎(chǔ)下是否發(fā)生不許可的沖刷或掏空現(xiàn)象，擴(kuò)大基礎(chǔ)的地基有無侵蝕等。
以上是對所有橋梁一般性規(guī)定。各種形式的橋梁還有很多有針對性、特別的詳細(xì)規(guī)定。針對不同類型的橋梁，要分別滿足《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》JTG H11—2004的詳細(xì)規(guī)定，就拿斜拉橋來講，還有如下的一些重要指標(biāo)：
1）鋼橋的檢查：構(gòu)件（特別是受壓構(gòu)件）是否扭曲變形、局部損傷；鉚釘和螺栓有無松動、脫落或斷裂，節(jié)點(diǎn)是否滑動錯裂；構(gòu)件是否腐蝕生銹。
2）索塔是否有異常的沉降、傾斜，柱身、橫系梁和錨固區(qū)是否有開裂和銹蝕。
3）拉索的兩端錨固部位，包括索端和錨頭。主梁的錨固構(gòu)造是否有銹蝕和開裂。
4）斜拉橋的顫振是否明顯，減震措施是否有效。
另外橋梁在下列情況之下應(yīng)做特殊的檢查，橋梁遭受洪水、流水、漂浮物、船舶撞擊、滑坡、地震、風(fēng)災(zāi)和超載車輛自行通過，事后要立即實(shí)施應(yīng)急檢查。
2.3 附屬設(shè)施也應(yīng)該給予健康與安全監(jiān)測
在橋梁健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)針對養(yǎng)護(hù)管理規(guī)范中的重點(diǎn)規(guī)定項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測，有必要另外補(bǔ)充一些其他重要的項(xiàng)目，只有這樣才能更好地服務(wù)于運(yùn)營的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。
例如，跨海施工中的施工平臺與主橋相連的是匝道橋，是非常重要的部位，應(yīng)該對其進(jìn)行健康監(jiān)測，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和所處的環(huán)境，其監(jiān)測內(nèi)容與方法應(yīng)該與主橋的監(jiān)測采用一樣的措施。另外，大江大河中的施工臨時設(shè)施，特別是重要的施工平臺、匝道以及一些大型的橋梁在海中設(shè)置的觀光塔等。
2.4 橋梁已發(fā)事故分析
對橋梁已發(fā)事故進(jìn)行有效的分析，不久可以防患于未然，而且可以使橋梁健康與安全監(jiān)測有針對性。下面對索結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土梁作一簡單分析[1]。
1.索結(jié)構(gòu)
1940年11月7日，在美國華盛頓州塔克馬橋因風(fēng)振致毀。這是因?yàn)楫?dāng)時對空氣動力學(xué)不甚了解才導(dǎo)致的災(zāi)難性后果，現(xiàn)在大跨徑的橋梁一般不會再出現(xiàn)類似的情況了，不過對于這方面的研究仍需要加強(qiáng)。在臺風(fēng)的情況下，橋梁的振動仍會加強(qiáng)，這會對結(jié)構(gòu)造成一定的影響，加劇了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，同時給行車的安全帶來了隱患；對于柔性的索結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生很大的振動。因此必需加強(qiáng)特殊環(huán)境中索結(jié)構(gòu)橋振動及相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測。
四川宜賓南門大橋與1990年6月竣工通車，在2001年11月由于承重鋼纜生銹，使吊桿突然斷裂，導(dǎo)致橋面兩端先后發(fā)生斷塌，造成很大的損失，在社會上造成很大的影響。
另外，對于各種形式的橋梁很容易出現(xiàn)損傷的關(guān)鍵部位進(jìn)行有針對性的分析，可以使健康與安全監(jiān)測更具有針對性和有效性?，F(xiàn)在對廣泛應(yīng)用的索結(jié)構(gòu)（包括懸索橋）在橋梁中容易出現(xiàn)的損傷進(jìn)行一下分析。
在強(qiáng)潮和高鹽度的地區(qū)，斜拉橋和懸索橋的鋼箱梁存在銹蝕的問題，且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還存在耐久性的問題，這些都是健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)檢測對象。
對于懸索橋和斜拉橋來講，索結(jié)構(gòu)的監(jiān)控與安全監(jiān)測尤其重要，現(xiàn)對索結(jié)構(gòu)監(jiān)測簡單闡述如下：
索結(jié)構(gòu)在懸索橋和斜拉橋中有著重要的作用，而且屬于容易出現(xiàn)問題的構(gòu)件，特別是處于海中和腐蝕性較強(qiáng)的地區(qū)，更容易由于潮濕和氯例子（CL-）含量較高而發(fā)生銹蝕甚至斷裂的情況。因此加強(qiáng)索的安全與健康監(jiān)測十分重要。索結(jié)構(gòu)的安全識別方法主要有：
（1）索結(jié)構(gòu)銹蝕分析方法 可以通過銹蝕元件監(jiān)測索的錨固端是否出現(xiàn)了銹蝕，銹蝕測試元件在施工時就預(yù)埋在索的錨固端，當(dāng)拉索發(fā)生銹蝕時。銹蝕元件電特性將隨著發(fā)生相應(yīng)變化，經(jīng)過測試元件的電特性即可以知道拉索銹蝕情況。
可以通過使用同種材料，模擬實(shí)際環(huán)境，利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，建立可靠的索結(jié)構(gòu)鋼絲束腐蝕電學(xué)參數(shù)和輸出信號的變化關(guān)系，將此規(guī)律運(yùn)用于實(shí)際的索結(jié)構(gòu)銹蝕檢測中，可以了解到索銹蝕的發(fā)展?fàn)顩r，為拉索的更換提供了一個比較明確的時間。
（2）索結(jié)構(gòu)斷絲的分析方法 通過聲發(fā)射法監(jiān)測斷絲情況，由于索結(jié)構(gòu)大都是在錨固區(qū)段銹蝕，因此索股的斷絲也大都出現(xiàn)在這個部位。在索錨固端處安裝聲發(fā)射傳感器，當(dāng)發(fā)生鋼絲斷裂時，通過監(jiān)測系統(tǒng)對聲信號進(jìn)行提取、分析，及時發(fā)現(xiàn)損傷的索股。
聲發(fā)射是指材料內(nèi)部局部區(qū)域在外界（應(yīng)力或溫度）的影響下，伴隨能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象。它可以在結(jié)構(gòu)和材料的內(nèi)部損傷、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動變化的過程中進(jìn)行監(jiān)測。AE技術(shù)有助于解決以下四個方面的問題：
1）構(gòu)件和材料何時出現(xiàn)損傷。
2）是什么性質(zhì)的損傷。
3）在什么地方出現(xiàn)損傷。
4）損傷的嚴(yán)重程度如何。
2.預(yù)應(yīng)力混凝土梁
關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，近年來逐漸引起各國的高度重視，自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁及結(jié)構(gòu)發(fā)生不少損傷的情況，有的還相當(dāng)嚴(yán)重，影響到橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至危及安全。其原因是多方面的，除了與施工質(zhì)量和環(huán)境因素有關(guān)外，預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕和環(huán)境腐蝕，特別是后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁中的壓漿質(zhì)量難以保證，導(dǎo)致了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性受到影響。有些管道內(nèi)甚至還留有水，經(jīng)過一個冬季過后，梁體的腹部將會被漲破，直接威脅著橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全。
2.5 橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容
橋梁的健康監(jiān)測貫穿于橋梁運(yùn)營壽命的全過程，橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容同時也與橋梁形式、橋梁的自身特點(diǎn)有關(guān)。也就是橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容對于橋梁可靠度評估有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[2]。
1. 撓度變形的監(jiān)測
主要監(jiān)測橋梁在運(yùn)營期間內(nèi)，在活載、橫載及長期荷載作用下，橋梁各個主要斷面位移變化的情況。從而預(yù)警和掌握橋梁結(jié)構(gòu)剛度變化情況及混凝土徐變作業(yè)情況。
2. 應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測
主要監(jiān)測橋梁在運(yùn)營期間內(nèi)，在活載和長期荷載作用下，橋梁主要測試斷面應(yīng)力變化情況，從而預(yù)警橋梁結(jié)構(gòu)是否有缺損狀態(tài)的潛伏或存在，保證橋梁強(qiáng)度及安全使用的要求。
3. 動應(yīng)變監(jiān)測
通過對應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測點(diǎn)的連續(xù)采集，監(jiān)測橋梁在運(yùn)營荷載作用下的性能，從而預(yù)警和掌握橋梁結(jié)構(gòu)受活載沖擊情況和橋梁剛度變化的情況。
4. 溫度監(jiān)測
了解橋梁溫度隨環(huán)境溫度變化的情況，從而為不同溫度狀態(tài)下橋梁工作狀態(tài)（如：變形、應(yīng)力變化）進(jìn)行比較和分析提供依據(jù)。
5. 動態(tài)稱重監(jiān)測
通過使用動態(tài)稱重監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁上通過的車輛進(jìn)行軸重監(jiān)測記錄，掌握軸載情況，為分析橋梁結(jié)構(gòu)撓度變形、應(yīng)力及動力性能的監(jiān)測數(shù)據(jù)提供依據(jù)。
6. 外觀監(jiān)測
通過相應(yīng)的外觀監(jiān)測儀器（例如裂紋監(jiān)測儀器）對橋梁的重點(diǎn)部位進(jìn)行監(jiān)測，可以及時地掌握裂紋開展的數(shù)量、寬度及其位置。
3、橋梁健康與安全監(jiān)測理論
3.1 橋梁健康監(jiān)測的概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候或橋梁運(yùn)營狀態(tài)嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[3]。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進(jìn)行監(jiān)控：①橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性；④大橋所處環(huán)境條件等等。與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的整體行為實(shí)施監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行智能化評估。
橋梁健康和安全監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時應(yīng)包括以下內(nèi)容：
1）測量與數(shù)據(jù)的自動采集。
2）數(shù)據(jù)處理與傳輸。
3）數(shù)據(jù)存儲管理與查詢應(yīng)用。
4）結(jié)構(gòu)實(shí)時變形動態(tài)顯示。
5）服務(wù)水準(zhǔn)安全報(bào)警。
6）結(jié)構(gòu)健康與安全評估。
以上每個單元相對獨(dú)立又相互聯(lián)系，并分別具有各自的功能，最終形成具有實(shí)時性、可視性、程序化、規(guī)范化的結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)。
3.2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場自動測試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)及分析中心系統(tǒng)三大部分組成，各個系統(tǒng)主要的功能如下。
1.現(xiàn)場自動測量系統(tǒng)
主要對橋梁現(xiàn)場的應(yīng)變、溫度、撓度變形及通過車輛變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對不同類型的傳感器組進(jìn)行定時的起動、數(shù)據(jù)采集、對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和存儲。
2.遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)
主要對傳輸過來的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，系統(tǒng)控制命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。當(dāng)出現(xiàn)異常時進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理和分析，并以圖表的形式顯示橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、撓度變形等參數(shù)變化趨勢，并向分析中心傳遞數(shù)據(jù)。
3.分析中心系統(tǒng)
主要是根據(jù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)傳送的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，對監(jiān)控期間的橋梁運(yùn)營工作狀況進(jìn)行評價，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修提供建議。
當(dāng)然每個項(xiàng)目的健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)組成并非千篇一律，可以根據(jù)工作的實(shí)際情況和橋梁的重要程度而有所區(qū)別。
具體來講，監(jiān)測系統(tǒng)一般有應(yīng)變計(jì)、傳輸線、應(yīng)變測試儀、數(shù)據(jù)采集器與處理系統(tǒng)組成。可以采用施工預(yù)埋測試應(yīng)變元件和表面粘結(jié)應(yīng)變測試元件作為監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測傳感器，數(shù)據(jù)采集采用網(wǎng)絡(luò)接口和計(jì)算機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和遠(yuǎn)程控制。
3.3 數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)
該系統(tǒng)利用外場數(shù)據(jù)采集計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對被測物理量量測結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理（如測量結(jié)果的修正換算、主應(yīng)變計(jì)算等），并按照規(guī)定的格式整理形成數(shù)據(jù)文件，通過光纖調(diào)制解調(diào)器將經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控通信收集中心。數(shù)據(jù)處理功能在結(jié)構(gòu)健康和安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)完成，而結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由以下部分組成。
1. 數(shù)據(jù)存儲管理與查詢應(yīng)用系統(tǒng)
該系統(tǒng)一般具有的功能和特點(diǎn)如下：
使不同類型的數(shù)據(jù)通過恰當(dāng)?shù)亟M織，被有效地存儲，從而實(shí)現(xiàn)靜動態(tài)數(shù)據(jù)的科學(xué)分類，抽象和動態(tài)存儲與更新，并應(yīng)用數(shù)據(jù)字典方式，使各種不同類型的數(shù)據(jù)在同一操作環(huán)境下進(jìn)行管理和快速的查詢。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整編和統(tǒng)計(jì)分析，提供圖表分析結(jié)果。
2. 結(jié)構(gòu)實(shí)時變形動態(tài)顯示系統(tǒng)
為監(jiān)控人員在監(jiān)控屏幕上提供一個實(shí)時的結(jié)構(gòu)形變圖形，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況的可視化監(jiān)控。使橋梁整體工作狀況一目了然。
3. 服務(wù)水準(zhǔn)安全警報(bào)系統(tǒng)
根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)控制斷面設(shè)計(jì)計(jì)算值、驗(yàn)收荷載試驗(yàn)量測結(jié)果以及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)極值等，確定橋梁結(jié)構(gòu)最佳特征參數(shù)，在不同服務(wù)水準(zhǔn)下的正常使用控制值和極限值，并將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)與之相比較，以達(dá)到對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和工作狀態(tài)或者使用情況的兩級報(bào)警，即橋梁結(jié)構(gòu)使用預(yù)警和橋梁結(jié)構(gòu)安全報(bào)警。
3.4 結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)主要是根據(jù)對橋梁進(jìn)行綜合的監(jiān)測結(jié)果，分析獲取橋梁結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的精確關(guān)系或模糊關(guān)系，建立橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評定與損傷識別的知識庫和機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對所監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)與安全的評估，為橋梁的養(yǎng)護(hù)檢查或者維修加固決策實(shí)施的制訂提供科學(xué)的依據(jù)[4]。
該系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個模塊：
1）結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)評估模塊
2）基于結(jié)構(gòu)變形的損傷識別模塊
3）基于結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力的損傷識別模塊
4）基于結(jié)構(gòu)振動特性參數(shù)的損傷識別模塊
5）橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評估模塊
6）橋梁承載能力鑒定模塊
3.5 一份詳細(xì)的橋梁健康與安全監(jiān)測設(shè)計(jì)資料應(yīng)包含的內(nèi)容
1. 橋梁工作環(huán)境的監(jiān)測
橋址處風(fēng)速、風(fēng)向的監(jiān)測：一般是在橋梁的恰當(dāng)部位設(shè)置風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測儀。健康監(jiān)測應(yīng)該提供詳細(xì)的風(fēng)速風(fēng)向儀器布置施工圖。埋設(shè)位置既要利于監(jiān)測環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向，同時又要能夠準(zhǔn)確反映橋梁整體或者主要部位受風(fēng)力的影響狀態(tài)。
橋址處環(huán)境溫度與橋梁結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測：通過對環(huán)境溫度和橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位溫度分布狀況監(jiān)測，并與設(shè)計(jì)時理論值進(jìn)行比較，從而可以對橋梁在實(shí)際的溫度作用下與設(shè)計(jì)時理論值進(jìn)行比較，從而可以對橋梁在實(shí)際的溫度作用下與設(shè)計(jì)情況相比，作出偏于安全還是偏于不安全的評價。
2. 橋梁關(guān)鍵部位監(jiān)測
橋梁的關(guān)鍵部位即控制斷面，準(zhǔn)確掌握控制斷面溫度分布情況與規(guī)律可有助于正確地分析控制斷面應(yīng)力的分布情況，通?？梢詫囟确植紶顩r測點(diǎn)和應(yīng)力分布測點(diǎn)布設(shè)在一起。隨著橋梁測試儀器的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有帶有溫度測試功能的弦式或者光纖應(yīng)變計(jì)監(jiān)測儀器。
進(jìn)行溫度監(jiān)測時，在每一個外場溫度觀測站布設(shè)一個自動溫度儀，利用前置專用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)預(yù)處理。并借助數(shù)據(jù)傳輸模塊通過傳輸系統(tǒng)將經(jīng)過預(yù)處理的溫度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控通信分中心，從而進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理。
3. 特殊環(huán)境的溫度測試
箱梁內(nèi)或錨洞內(nèi)（針對隧道式懸索橋）也是橋梁結(jié)構(gòu)的重要部位，通過保持箱梁和錨洞內(nèi)的干燥，可以減少鋼材在潮濕環(huán)境下的銹蝕。因此必需對該類環(huán)境進(jìn)行濕度測試，并及時將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋給恒溫恒濕系統(tǒng)，及時排風(fēng)除潮。
4. 運(yùn)行車輛荷載監(jiān)測
車輛速度和軸重的數(shù)據(jù)由稱重系統(tǒng)提供，為橋梁結(jié)構(gòu)使用工作性能評估提供明確的已知系統(tǒng)輸入，并確定其對今后可能增長的交通荷載適應(yīng)能力，同時也可以控制超限運(yùn)輸對橋梁結(jié)構(gòu)的不利影響。相應(yīng)的車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)入橋梁健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)，從而可以了解橋梁承載情況，分析結(jié)構(gòu)的受力情況。
5. 橋梁結(jié)構(gòu)整體性能監(jiān)測
對橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的監(jiān)測包括橋梁結(jié)構(gòu)位移變形的監(jiān)測和橋梁動力特性及振動水平監(jiān)測。
3.6 橋梁結(jié)構(gòu)位移變形監(jiān)測
橋梁結(jié)構(gòu)位移變形監(jiān)測，重點(diǎn)考慮橋梁基礎(chǔ)沉降變形監(jiān)測、主梁撓度和橋塔（主要針對懸索橋和斜拉橋）位移變形監(jiān)測。
橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定，對于全橋的安全有著重要的作用，也是確保橋梁安全運(yùn)營的前提。橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降會造成多方面的不利影響。過大沉降，特別是基礎(chǔ)不均勻沉降會引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的附加內(nèi)力、橋梁線性的惡化以及橋梁附屬設(shè)施（支座、伸縮縫、欄桿）的損壞。對于有通航要求的橋梁，活載作用下，主梁的撓度是評價航道橋使用功能和安全性能的重要指標(biāo)之一，是橋梁整體剛度的重要標(biāo)志。通過對橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形監(jiān)測和航道主梁撓度和橋上運(yùn)行荷載的監(jiān)測，可以從整體上把握橋梁健康及安全狀態(tài)。使得橋梁管理者心中有數(shù)，從而可以有根據(jù)的進(jìn)行維護(hù)和管理。
4、損傷評估法
1. 局部損傷評估法
通過橋梁線性、沉降、整體動力特性等參數(shù)的觀測，與初始狀態(tài)進(jìn)行對比、并分析其發(fā)展趨勢，可以從整體上評價橋梁的健康狀態(tài)，而難以了解布局的情況。因此在橋梁的關(guān)鍵部位以及監(jiān)測人員難以達(dá)到的地方布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，并通過局部損傷的評估方法進(jìn)行研究。
為了分析各種識別方法對結(jié)構(gòu)損傷的靈敏度，通過相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算并且在橋梁模型上進(jìn)行試驗(yàn)分析，將集中損傷識別方法進(jìn)行對比研究，參比的方法為位移模態(tài)振型、頻率、應(yīng)變模態(tài)振型及廣義應(yīng)變能密度等多種方法。通過在同一情況下各種參數(shù)的改變情況，分析其損傷的不同敏感程度，根據(jù)現(xiàn)階段的科研結(jié)果，廣義應(yīng)變能密度法一般要優(yōu)于其他的分析方法。
2. 積累損傷與剩余疲勞壽命評估方法
通過對橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行長期應(yīng)力/應(yīng)變的監(jiān)測，在長期監(jiān)測的基礎(chǔ)之上可以得到詳細(xì)的疲勞數(shù)據(jù)，從而可以進(jìn)行有效的累計(jì)損傷和剩余壽命的評估。
通過應(yīng)力/應(yīng)變的長期監(jiān)測后，利用雨流計(jì)數(shù)法等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可以得到荷載循環(huán)的情況，選取適當(dāng)?shù)腟-N曲線，然后通過在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用的“Miner線性累計(jì)損傷”理論，可以對關(guān)鍵部位或者薄弱部位的累計(jì)損傷情況進(jìn)行分析并對其疲勞壽命進(jìn)行評估。
（1.1）
其中為某一工況下一年內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，為該工況下單獨(dú)存在時結(jié)構(gòu)的失效壽命（結(jié)構(gòu)失效時總的循環(huán)次數(shù)），由選用的S-N曲線確定。
全年累計(jì)損傷根據(jù)Miner法則為
（1.2）
于是疲勞壽命（L）可以由下式計(jì)算得到（單位為年）：
（1.3）
5、當(dāng)今現(xiàn)有的成熟監(jiān)測技術(shù)條件
控制測量基準(zhǔn)條件，比如當(dāng)?shù)鼐哂袊掖蟮販y量基準(zhǔn)（54北京平面直角坐標(biāo)系和56黃海高程系統(tǒng)）資料，另外就是當(dāng)?shù)氐胤阶鴺?biāo)系統(tǒng)的平面、高程控制點(diǎn)系統(tǒng)。
1. 全球定位測量宇宙站用于工程形變監(jiān)測技術(shù)條件
精密工程形變監(jiān)測，要求精度在毫米級和亞毫米級。隨著全球定位測量宇宙站空間定位系統(tǒng)完善和數(shù)據(jù)處理軟件的升級和更新，目前全球定位測量宇宙站已可用于精密工程測量和工程形變監(jiān)測。
2. 垂直位移自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件
一般橋梁垂直位移自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度在亞毫米級，該類系統(tǒng)已經(jīng)在上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵取得成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其觀察數(shù)據(jù)精度、連續(xù)性、實(shí)時性都是經(jīng)典測量方法所無法取代的。
3. 連通管測試技術(shù)
主梁撓度采用垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)即連通管加液壓位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，連通管一般固定在主梁上無法相對于主梁移動的地方，同時又要便于安裝和觀測。通過液壓位計(jì)對連通管中的液面高度進(jìn)行測量。只要測量出各個監(jiān)測點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)連通管內(nèi)液面變化量即可求出主梁各個測點(diǎn)的撓度。測量出各個測點(diǎn)某兩種狀態(tài)連通管內(nèi)液位的高差，也就知道后一種狀態(tài)相對于前一種狀態(tài)的撓度變化量。現(xiàn)在也有通過測試封閉管內(nèi)的壓差，通過壓差的變化來求出橋梁的撓度。在布設(shè)連通管時，如果橋梁的全長過大，參考點(diǎn)不宜設(shè)置在岸上，否則，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且影響測量的精度因素也會同時增加。因此可以通過一個相對參考點(diǎn)求得撓度值，而相對參考點(diǎn)的撓度值有全球定位測量宇宙站局域網(wǎng)測量得出，并由精密的水準(zhǔn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。
系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)的控制獲取同一時間的測量值，可以消除由于時間不一致引起的測量誤差。另外，為了消除大氣壓、溫度等的影響，應(yīng)在連通管內(nèi)注入清潔、消毒的蒸餾水作為液體以便克服毛細(xì)現(xiàn)象。另外在用封閉管測量時，應(yīng)用溫度傳感器測量液體的溫度，加入溫度修正系數(shù)來求出管內(nèi)壓力，從而進(jìn)一步求出測點(diǎn)撓度。
4. 橋梁動力特性及振動水平的監(jiān)測
橋梁動力特性參數(shù)（頻率、振型和阻尼）和振動水平（振動強(qiáng)度和幅度值）是橋梁整體安全的標(biāo)志，橋梁質(zhì)量退化會引起振動特性的改變，例如橋梁結(jié)構(gòu)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于是橋梁結(jié)構(gòu)局部的損壞。因此對橋梁動力特性及振動水平的監(jiān)測能夠起到整體上對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的目的。
5. 大橋箱梁結(jié)構(gòu)控制斷面應(yīng)力（應(yīng)變）的監(jiān)測
大橋箱梁直接承擔(dān)著車輛荷載，受荷載的影響最為直接，極易因異常荷載引起損傷，同時箱梁的損傷對橋梁的使用性能的影響最為直接。因此，對箱梁有代表性控制斷面的應(yīng)力監(jiān)測，可以了解作為主要承力構(gòu)件箱梁的受力狀態(tài)，及時診斷橋梁病害。另外，控制車輛荷載和對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析也是十分必要的。
6、總結(jié)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不單是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的改進(jìn)，而且是運(yùn)用了現(xiàn)代化傳感技術(shù)與通訊技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測橋梁在運(yùn)營階段各種環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和行為特征，獲取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因數(shù)的各種信息，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并且評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。與此同時，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。所以說，橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。
橋梁健康監(jiān)測的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究發(fā)展三方面的意義反映了從事橋梁維護(hù)管理、設(shè)計(jì)咨詢和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問題。當(dāng)然，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的最終實(shí)現(xiàn)還有賴于與橋梁理論結(jié)合的進(jìn)一步完善，以及深化對橋梁在工作環(huán)境、運(yùn)營條件下結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識，當(dāng)然，還有就是實(shí)現(xiàn)測試軟件與硬件的改進(jìn)和配合。
最后，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以功能要求和效益成本分析為基本準(zhǔn)則。此外，健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)該通過布點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，且需考慮到系統(tǒng)具體實(shí)施中的通訊問題。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1] 袁萬城,崔飛,張啟偉.橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展.同濟(jì)大學(xué)報(bào),1999,27:184-188.
[2] 張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì).同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29:65-69.
[3] 張啟偉,袁萬城,范立礎(chǔ). 大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997,25(增刊):76-81.
[4] 史家鈞,項(xiàng)海帆,許俊. 確保大型橋梁安全性與耐久性的綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)1997,25(增刊):71-75.
古今中外形形色色的橋
1．中國古代橋梁之最
現(xiàn)存最古老的敞肩拱石橋是河北趙縣趙州橋。隋朝開皇十五年至大業(yè)元年（595～605年）建。
現(xiàn)存最早的也是橋洞最多的聯(lián)拱石橋是江蘇蘇州寶帶橋。唐元和十一年（816年）始建。
現(xiàn)存最早的十字橋是山西晉祠魚沼飛梁，北宋崇寧元年（1102年）建。
最早的開關(guān)活動式大石橋是廣州潮州廣濟(jì)橋。明宣德十年（1435年）建。
僅有的五亭橋位于江蘇揚(yáng)州瘦西湖。
2．立交橋給城市增添了現(xiàn)代化氣息。
北京市興建最早的道路立交橋是位于昌平路上的白浮橋、藍(lán)靛廠路上的八里莊橋和車道溝橋三座跨路、跨河立交，均成建于1966年。1974年在城區(qū)建成第一座苜蓿葉形互通式立交---復(fù)興門橋。
四元橋位于首都機(jī)場高速公路、京順路與四環(huán)路交叉處，是四層全互通式大型立交橋，共有大小橋梁26座，總長度2.6公里，是全國最大的城市立交橋。玉蜓橋位于南二環(huán)路與東浦路交叉處，是三層互通式蜻蜓型立交橋。
3．建造海底隧道耗資巨大，施工期長，因而人們更多地選擇了跨海大橋。
目前，世界上較大的跨海大橋已達(dá)三十多座。位于波斯灣上的巴林—沙特阿拉伯跨海搭橋全長25公里，是當(dāng)今世界上最長的跨海大橋。
意大利墨西拿大橋把狀似皮靴的本土與狀似足球的西西里島連為一體。土耳其伊斯坦布爾市博斯普魯斯海峽大橋，跨度雖然只有1560米，但它卻是一座架在歐、亞兩洲上的洲際橋梁。
