橋梁健康監(jiān)測(cè)研究及發(fā)展趨勢(shì)
2015-04-28
隨著橋梁在交通運(yùn)輸中占據(jù)日益重要的地位，橋梁設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步使得橋梁跨度不斷有新的突破，結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜。但是，目前中、老齡橋梁在國(guó)內(nèi)陸路交通網(wǎng)絡(luò)中占相當(dāng)?shù)谋戎?，隨著橋齡的增長(zhǎng)，由于環(huán)境、氣候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重車(chē)、超重車(chē)過(guò)橋數(shù)量的不斷增加和人為事故等因素，不少橋梁已出現(xiàn)嚴(yán)重的功能退化的情況。而建造和維護(hù)大型橋梁需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，滯后于橋梁建設(shè)與發(fā)展的綜合監(jiān)測(cè)及評(píng)估手段使橋梁管理層和決策層無(wú)法對(duì)其整體使用性能做出客觀準(zhǔn)確的評(píng)估，因此也無(wú)法采用低成本、高效益的維修養(yǎng)護(hù)方法。在這種形勢(shì)下，建立與之相適應(yīng)相匹配的橋梁綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)成為橋梁界研究的熱點(diǎn)之一，具有極為重要的意義。
1 橋梁健康監(jiān)測(cè)的概念
橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵是根據(jù)結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)(如可靠性、耐久性等)，結(jié)合無(wú)損檢測(cè)(NDT)和結(jié)構(gòu)特性分析(包括結(jié)構(gòu)響應(yīng))，從營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，目的是為了診斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計(jì)損傷的程度以及損傷對(duì)結(jié)構(gòu)將要造成的后果。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
橋梁健康監(jiān)測(cè)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性評(píng)估的需要和橋梁管理、決策部門(mén)的信息需求，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)條件及橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件，確定橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以實(shí)用性、可靠性為基礎(chǔ)，在一定程度上兼顧其先進(jìn)性，并考慮到費(fèi)用一效益(cost--benefit)的關(guān)系，確定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。
2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成
2，1 采集測(cè)量部分
采集測(cè)量部分的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般包括位移、應(yīng)力、動(dòng)力特性、溫度、表觀檢測(cè)等。1)位移監(jiān)測(cè)。利用測(cè)量手段，對(duì)橋梁各控制斷面的位移變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并繪編相應(yīng)的位移變形影響線和影響面以檢測(cè)各控制部位位移變形狀態(tài)，從而為總體評(píng)估橋梁的承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)和耐久能力提供依據(jù)。常用的位移變形監(jiān)測(cè)方法有導(dǎo)線測(cè)量(觀測(cè)水平位移)、幾何水準(zhǔn)法(觀測(cè)豎向位移)、GPS測(cè)定三維位移量法、自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分測(cè)量法(ATR自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))和自動(dòng)全站儀的方法。2)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中主梁的應(yīng)力或應(yīng)變的變化是由于主梁結(jié)構(gòu)的外部條件和內(nèi)部狀態(tài)變化引起的。外部條件主要有支座的變化及車(chē)輛荷載的作用等，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。通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以反映主梁的受力條件變化和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的性能。3)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)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)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)主要在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振而引起的結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng)。主要測(cè)定主梁的固有振動(dòng)頻率、振型等。4)溫度監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)整橋溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，可以設(shè)法消除溫度變化對(duì)某些監(jiān)測(cè)過(guò)程或傳感器本身的測(cè)量精度的影響；可以了解橋梁結(jié)構(gòu)在某種溫度揚(yáng)下的行為，如結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化等。5)區(qū)域表觀檢測(cè)。表觀檢測(cè)包括混凝土裂縫檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度檢測(cè)、混凝土碳化深度檢測(cè)以及混凝土表觀質(zhì)量檢測(cè)以及橋面鋪裝、支座、伸縮縫等的損壞情況。
6)其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。
2．2 數(shù)據(jù)傳輸部分
穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸部分對(duì)于保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行有著重要意義，同時(shí)是獲取有效、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前提，主要應(yīng)該解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題：
1)關(guān)于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐絾?wèn)題。同步問(wèn)題是橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題之一。是后期數(shù)據(jù)處理、分析和橋梁健康評(píng)估的基本前提條件。系統(tǒng)可以不需要整體同步，但是撓度、振動(dòng)等子系統(tǒng)各點(diǎn)采集的時(shí)間必須同步。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)化問(wèn)題。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。3)關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中單點(diǎn)故障問(wèn)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。4)關(guān)于故障自動(dòng)報(bào)警的問(wèn)題。系統(tǒng)能夠識(shí)別傳感器故障包括電流回路泄漏、對(duì)不可信信號(hào)電平的捕獲和子系統(tǒng)故障，并能在系統(tǒng)主機(jī)上給出相應(yīng)的報(bào)警信息。5)關(guān)于數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)的問(wèn)題。系統(tǒng)具有能夠?qū)λO(jiān)測(cè)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。6)關(guān)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問(wèn)題。通過(guò)因特網(wǎng)技術(shù)可以使橋梁管理者或橋梁專家在異地對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新需求。
2．3 數(shù)據(jù)分析處理和控制部分
數(shù)據(jù)處理是指對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸部分獲得的數(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(dòng)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(wèn)題，一般稱之為數(shù)據(jù)管理。二十世紀(jì)六、七十年代以來(lái)，數(shù)據(jù)管理技術(shù)提高到了數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)系統(tǒng)來(lái)完成。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的目標(biāo)是：解決數(shù)據(jù)冗余問(wèn)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(lái)的數(shù)據(jù)完整性、安全性及并發(fā)控制等一系列問(wèn)題。
3 主要理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展
目前，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估的內(nèi)容有三個(gè)方面，即承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)和耐久能力l5．6 J。承載能力評(píng)估與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性有關(guān)。其評(píng)估的目的是要找出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備，以避免橋梁在日常使用中發(fā)生災(zāi)難性的后果。因其與人身安全和財(cái)產(chǎn)損失有關(guān)而成為橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估的主要內(nèi)容。營(yíng)運(yùn)狀態(tài)評(píng)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(dòng)等有關(guān)。在指定結(jié)構(gòu)工作條件和定期的養(yǎng)護(hù)維修的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果是十分重要的。耐久能力的評(píng)估側(cè)重于橋梁的損傷及其成因，以及其對(duì)材料的物理特性的影響。數(shù)據(jù)采集和傳輸部分的一種新趨勢(shì)是采用無(wú)線數(shù)字傳輸系統(tǒng)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳輸?shù)目垢蓴_性也得到了穩(wěn)步提高，在未來(lái)將有很大的應(yīng)用空間。
目前已有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，往往存在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目種類(lèi)不足，而個(gè)別項(xiàng)目的規(guī)模又過(guò)于龐大，尤其在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理方面，還沒(méi)有一個(gè)較為完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得不到妥善的處理與利用。并且?，F(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)大多屬于單一的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或者是單一的管理系統(tǒng)。作為一個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估系統(tǒng)，必須建立綜合評(píng)估機(jī)制以反映橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)決策提供理論依據(jù)。
橋梁健康監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，實(shí)際情況是，由于各種原因，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均有不同程度的癱瘓。隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)工作的進(jìn)一步深入，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要解決遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)、提高系統(tǒng)可靠性、完善數(shù)據(jù)處理和分析理論等一系列問(wèn)題。一方面，在系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)評(píng)估方面還都沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范；另一方面。隨著人們對(duì)橋梁安全性認(rèn)識(shí)的逐步提高，橋梁健康監(jiān)測(cè)的市場(chǎng)前景越來(lái)越廣闊。在實(shí)踐中探索出一套穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、明確各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的具體用途是健康監(jiān)測(cè)下一步工作的目標(biāo)。
