橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
2015-06-09
0 引言
土木工程質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到國(guó)家昌盛、民族振興、人民幸福、社會(huì)安定，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，工程質(zhì)量，人命關(guān)天，質(zhì)量責(zé)任，重于泰山。因此建設(shè)工程質(zhì)量越來(lái)越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。尤其是橋梁工程，更是如此。如今，交通量的日益增加與服役年限的延長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)不可避免的存在表面和內(nèi)部缺陷，使橋梁結(jié)構(gòu)的抗力不斷衰減，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性受到嚴(yán)峻威脅。影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的不僅僅是交通量的增加，還有其他很多方面。比如建橋標(biāo)準(zhǔn)偏低。建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題、超重超限車(chē)輛、自然災(zāi)害、材料與結(jié)構(gòu)自然老化等等。 而今橋梁安全事故頻發(fā)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的損失。眾多垮橋事故表明，橋梁的安全問(wèn)題已成為重大的社會(huì)問(wèn)題，人們?cè)絹?lái)越重視現(xiàn)代橋梁的安全和壽命，研究安全、客觀、可靠的橋梁安全監(jiān)測(cè)技術(shù)迫在眉睫。
1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容。1)傳感系統(tǒng)。由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機(jī)等部分組成。2)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)多種信息源、不同物理信號(hào)的采集與預(yù)處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換以獲取所需要的參數(shù)，以一定的形式存儲(chǔ)起來(lái)。3)通信系統(tǒng)。將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。4)監(jiān)控中心。利用可實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，包括結(jié)構(gòu)是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。
大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不單是傳統(tǒng)的以人工方法為主的檢測(cè)手段的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為。一般大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)以下幾方面進(jìn)行監(jiān)控：①結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼；②橋梁在正常車(chē)輛荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài)；③橋梁在突發(fā)事件(如強(qiáng)烈地震、意外大風(fēng)或其它嚴(yán)重事故等)之后的損傷情況；④橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實(shí)疲勞狀況；⑤橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如斜拉橋振動(dòng)控制裝置)的工作狀態(tài)；⑥大橋所處的環(huán)境條件，如風(fēng)速、溫度、地面運(yùn)動(dòng)等。
2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些大跨度和超大跨度橋梁的相繼建成，人們對(duì)這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關(guān)注和重視，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能控制技術(shù)相繼運(yùn)用到這些大型橋梁中，并得到了迅速發(fā)展，這項(xiàng)課題日益成為國(guó)內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)。
在國(guó)內(nèi)，自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究在國(guó)家科委攀登計(jì)劃B“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金資助的“橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)與狀態(tài)評(píng)估”等多個(gè)項(xiàng)目的支持下，在大型橋梁結(jié)構(gòu)病害調(diào)查、傳感器布點(diǎn)、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、系統(tǒng)識(shí)別、結(jié)構(gòu)理論模型修正、結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)定等方面開(kāi)展了深入的研究。例如徐浦大橋，是上海市區(qū)南部連接浦江兩岸的又一座斜拉橋，是上海市區(qū)黃浦江上第三座斜拉橋，安裝了我國(guó)第一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：車(chē)輛荷載； 主梁標(biāo)高；跨主梁跨中斷面應(yīng)力、應(yīng)變；主梁自振特征；斜拉索索力及斜拉索的振動(dòng)等。徐浦大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了利用大量多類(lèi)型的傳感器以及系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測(cè)。
在國(guó)外，20世紀(jì)80年代以來(lái)，在北美、歐洲和亞洲的一些國(guó)家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識(shí)到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國(guó)外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新思路和概念，并先后開(kāi)始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如丹麥的Great Belt East橋（大帶東橋）。這是一座跨徑布置為535m＋1 624 m＋535 m的懸索橋。為評(píng)估該橋結(jié)構(gòu)整體性、耐久性和可靠性，COWI公司為該橋設(shè)計(jì)了一個(gè)多達(dá)1 000個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括主纜、吊桿和索夾的應(yīng)力；橋面箱梁的加速度、應(yīng)力、支撐處的位移；下部結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)、橋墩的傾角、橋塔混凝土應(yīng)變；基礎(chǔ)的土質(zhì)監(jiān)測(cè)；氣候監(jiān)測(cè)等。
目前我國(guó)的橋梁建設(shè)技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，橋梁建設(shè)事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，特大型橋梁投資巨大，隨著大型橋梁的不斷建成，如何做好橋梁的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)，隨時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況，及時(shí)對(duì)橋梁的安全進(jìn)行評(píng)價(jià)已成為管理者日益需要和迫切希望解決的課題。
3橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
綜合國(guó)內(nèi)在建幾座特大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，我國(guó)今后橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)發(fā)展的趨勢(shì)為：
1) 由單一的、有限范圍的主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)向全橋全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)發(fā)展，最終形成統(tǒng)一的綜合管理系統(tǒng)。
2) 由單一的數(shù)據(jù)采集、保存轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后期處理與分析。健康評(píng)估系統(tǒng)日趨完善，評(píng)估成果可以成為運(yùn)營(yíng)管理者的決策依據(jù)。
3) 系統(tǒng)技術(shù)上將更加先進(jìn)、可靠。
4) 系統(tǒng)將具有更好的開(kāi)放性，可以進(jìn)行多形式的國(guó)際間的合作。
5) 具備更好的操作界面和實(shí)用性，更能適合我國(guó)國(guó)情和具體養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員的實(shí)際操作。
橋梁健康監(jiān)測(cè)它已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)。但是由于橋梁結(jié)構(gòu)受到許多不確定性因素和復(fù)雜工作環(huán)境的影響，以及對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，因此目前所取得的成就和研究還處于基礎(chǔ)性探索階段，還需廣大橋梁工作者和研究人員的不斷努力和探索，特別是長(zhǎng)期觀測(cè)的智能控制研究，使得橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程的發(fā)展開(kāi)辟新的空間。
4結(jié)語(yǔ)
與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)還不能稱(chēng)為“橋梁強(qiáng)國(guó)”。這并不是說(shuō)我國(guó)缺乏世界級(jí)的橋梁，而是因?yàn)槲覈?guó)橋梁現(xiàn)代化管理與養(yǎng)護(hù)相對(duì)于橋梁建設(shè)而言嚴(yán)重滯后，橋梁管養(yǎng)的信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平低。 因此要想成為真正的橋梁強(qiáng)國(guó)，我們國(guó)家在橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)方面還需要做很多的探索與研究。
隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，交通基礎(chǔ)設(shè)施和大型橋梁的建設(shè)得到了前所未有的關(guān)注，橋梁垮塌事件頻發(fā)給橋梁工程技術(shù)人員和管理人員敲響了警鐘，橋梁健康檢測(cè)的意義和作用已逐步為橋梁建設(shè)者、技術(shù)人員和管理人員所認(rèn)識(shí)。橋梁安全監(jiān)測(cè)正逐漸向規(guī)范化、信息化、系統(tǒng)化發(fā)展，它也必將成為國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中一個(gè)不可或缺的項(xiàng)目。
由于對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，因此距離實(shí)用性的系統(tǒng)目標(biāo)尚有較大的差距，需要新的理論突破及現(xiàn)代科技、材料、信息技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等的進(jìn)步來(lái)促進(jìn)橋梁健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展。
