大型橋梁結構健康監(jiān)測技術研究與應用
2015-05-26
一、現(xiàn)代大型橋梁健康監(jiān)測技術的概念
大型橋梁結構健康監(jiān)測實際上是一個多參數(shù)(包括溫度、應力、位移、動力特性等)的監(jiān)測。所謂大型橋梁結構健康監(jiān)測技術就是指利用一些設置在大型橋梁關鍵部位的測試元件、測試系統(tǒng)、測試儀器，實時、在線地量測大型橋梁結構在運營過程中的各種反應，并通過對這些大型橋梁結構關鍵部位的測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)與指令的遠程傳輸、數(shù)據(jù)儲存與處理、結構安全狀態(tài)的評估與預警等一系列程序，分析大型橋梁結構的安全狀況、評價其承受靜、動態(tài)荷載的能力和結構的安全可靠性，為運營及管理決策提供依據(jù).
大型橋梁結構健康監(jiān)測技術涉及多個學科交叉領域，隨著現(xiàn)代檢測技術、計算機技術、通訊技術、網絡技術、信號分析技術以及人工智能等技術的迅速發(fā)展，大型橋梁結構健康監(jiān)測技術正向實時化、自動化、網絡化的趨勢發(fā)展。目前，包含多項檢測內容、能對大型橋梁狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并集成了遠程通信與評判控制的健康監(jiān)測系統(tǒng)，已經成為大型橋梁健康監(jiān)測技術發(fā)展的前沿.
大型橋梁結構健康監(jiān)測技術主要包括監(jiān)測系統(tǒng)總體設計技術、傳感器及其優(yōu)化布設技術、數(shù)據(jù)自動采集與傳輸技術、結構仿真分析技術、健康診斷與結構安全評估技術等。
二、大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計技技術
大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是集結構監(jiān)測、系統(tǒng)辨識和結構評估于一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。通常采用各種先進的測試儀器設備對大型橋梁在外界各種激勵(包括交通荷載、環(huán)境荷載等)下的各種響應進行監(jiān)測;然后對監(jiān)測到的各種信息進行處理，結合結構模型等知識對結構進行診斷，分析結構的損傷狀況;最后對大型橋梁結構的健康狀態(tài)進行評價，并確定科學的大橋維修、養(yǎng)護策略。其監(jiān)測內容一般包括
1)大型橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學性能響應，包括各種荷載下的內力(應力)、變形、固有頻率、模態(tài)、混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。
2)大型橋梁重要非結構構件(如支座)和附屬設施的工作狀態(tài);
3)大橋所處環(huán)境條件等。
大型橋梁結構健康監(jiān)測是運用現(xiàn)代的傳感與通訊技術，實時監(jiān)測大型橋梁運營階段在各種環(huán)境荷載條件下的結構響應與行為，對于具體的一座大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)設計，由于其本身的結構特點和監(jiān)測重點的不同，其相應的監(jiān)測方法、內容、規(guī)模、監(jiān)測效果也各不相同，但總體上應遵循以下設計準則:
1、系統(tǒng)功能要求
不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度大型橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目都是從結構監(jiān)控與評估出發(fā)的。如果監(jiān)測系統(tǒng)考慮具有結構設計驗證的功能，那就要獲得較多結構系統(tǒng)識別所需要的信息。一般來說，對于大跨度索支承大型橋梁，需要較多的傳感器布置于橋塔以及加勁梁以及纜索、拉索各部位，以獲得較為詳細的結構動力行為并驗證結構設計時的動力分析模型和響應預測。
另外，在支座、擋塊以及某些聯(lián)結部位需安設傳感器獲取反映其傳力、約束狀況等的信息。因此大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能應考慮以下幾個主要方面:
1）結構整體行為方面:包括研究結構在車橋共同作用、強風、強地面運動下的非線性特性以及橋址處環(huán)境條件變化對結構動力特性、靜力狀態(tài)(內力分布、變形)的影響等。
2)結構局部問題:例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其它疲勞問題;結合梁結合面的破壞機制;索支承大型橋梁纜(拉)索和吊桿的振動局部損傷機制。
3)抗震方面:包括各種場地地面運動的空間與時間變化、結構相互作用、多點激勵對結構響應的影響等，通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監(jiān)測進行大型橋梁抗震分析等。
4)抗風方面:包括風場特性觀測、結構在自然風場中的行為以及抗風穩(wěn)定性。
此外，也應重視結構耐久性問題、基礎變形規(guī)律、樁基的承載力等問題。
2、效益/成本分析
監(jiān)測系統(tǒng)的設計首先應該考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能，對于特定的大型橋梁，建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是大型橋梁監(jiān)控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發(fā)展為目的。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測項目就可以基本上確定，也就可以確定其功能的設計要求。但由于監(jiān)測系統(tǒng)設計過程中各監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度，因此在設計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進行成本/效益分析。根據(jù)功能要求和成本/效益分析將監(jiān)測項目和測點數(shù)量設計到所需的范圍內，以便最優(yōu)化地選擇安裝系統(tǒng)硬件設施。
三、傳感器及其優(yōu)化布置技術
傳感器的選擇主要考慮以下幾個方面的因素:傳感器類型的選擇以及傳感器的精度、分辨率、頻響及動態(tài)范圍;傳感器布設位置以及其周圍動態(tài)環(huán)境的影響程度、測量噪聲的影響程度等。
大型大型橋梁健康檢測、監(jiān)測過程中應用的傳感器主要用來測量加速度、速度、位移及應變等參數(shù)，由于大型橋梁結構尺寸龐大，同時自振頻率往往非常低，結構的響應水平通常也非常小，因此，要求傳感器必須具有頻響范圍廣、低頻響應好、測量范圍大的特點。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應變片等，它們己廣泛應用于各類工程結構的實測中，這里不再贅述.
目前新興的傳感器主要有:疲勞壽命絲、壓電材料傳感器、碳纖維、半導體材料和光纖傳感器等。
光纖傳感器是隨著光纖通訊技術的蓬勃發(fā)展而涌現(xiàn)出來的一種先進的傳感器，是用于長期監(jiān)測的最理想材料。其主要性能特點包括:
1)具有感測和傳輸雙重功能;抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕，本質安全可靠，耐久性好;靈敏度高;重量輕、體積小、可撓曲，對被測介質影響小;
2)便于復用、成網，有利于與現(xiàn)有光通信技術組成遙測網和光纖傳感網絡;
3)測量范圍廣?？蓽y量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
四、大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計
現(xiàn)代大型橋梁結構健康監(jiān)測技術不只是傳統(tǒng)的大型橋梁檢測技術的簡單改進，而是運用現(xiàn)代傳感與通信技術，實時監(jiān)測大型橋梁運營階段在各種環(huán)境條件下的結構響應與行為，獲取反映結構狀況和環(huán)境因素的各種信息，并由此分析結構的健康狀況、評估結構的可靠性，為大型橋梁的管理與維修決策提供科學依據(jù).
1 監(jiān)測系統(tǒng)的組建
2 監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則
1)目的與功能的主輔原則
監(jiān)測系統(tǒng)的設計應該以建立該系統(tǒng)的目的和功能為主導性原則，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的確定后，則系統(tǒng)的監(jiān)測項目和儀器系統(tǒng)就可基本確定。一般而言，建立大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是掌握結構的運營安全狀況，因此健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計應首先考慮以結構安全性為主的監(jiān)測原則，是能夠關乎結構安全與否的重點監(jiān)測內容，而其它目的則為輔助性的。
2)功能與成本最優(yōu)原則
健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本通常比較大，其成本一般由三大部分組成:結構仿真分析費用、儀器系統(tǒng)費用及處理軟件費用。結構仿真分析部分費用一般較小，但其意義重大。儀器系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)成本的主要部分，監(jiān)測項目及傳感器數(shù)量越多，監(jiān)測信息就越全面，從而系統(tǒng)成本就越高;反之則降低系統(tǒng)成本，但同時可能會因為監(jiān)測信息不足而使監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性減小。所以為使系統(tǒng)成本更合理，有必要對功能與成本進行優(yōu)化，使用最小的投資，獲得最大的有效監(jiān)測信息。信息處理軟件費用，其主要功能是對巨量信息進行解釋、存儲、傳輸及初步評價等，
該部分費用相對也比較小。
3)系統(tǒng)性和可靠性原則
監(jiān)測分析、仿真計算、工程經驗有機結合，也只有用系統(tǒng)分析原理，使測點之間、監(jiān)測項目之間能相互結合，從而提高整個系統(tǒng)的監(jiān)測功效;監(jiān)測系統(tǒng)最基本的要求是可靠性，而整個系統(tǒng)的可靠性取決于所組成的各種儀器的可靠性、監(jiān)測網絡的布置及設計的統(tǒng)籌安排和施工上的配合等因素。
4)關鍵部件優(yōu)先與兼顧全面性原則
關鍵部件是指各種原因導致的可能破壞區(qū)、變形敏感區(qū)及結構的關鍵部位，這些關鍵部件都必須重點監(jiān)測。但也應考慮全面性，考慮對結構整體性進行監(jiān)測，例如基礎的總體安全性監(jiān)控等。
5)實時與定期監(jiān)測結合原則
根據(jù)監(jiān)測目的、功能與成本優(yōu)化確定監(jiān)測項目后，應該考慮的是實時監(jiān)測與定期監(jiān)測分別設置的原則。由于監(jiān)測項目的不同，有些項目不必長期實時監(jiān)測，但其監(jiān)測頻率又遠高于人工監(jiān)測，這時可考慮采用定期監(jiān)測，以減少后期維護成本和數(shù)據(jù)處理壓力。
結束語：
交通運輸是一個國家的經濟命脈，而大型橋梁是交通的咽喉，大型橋梁的建造和維護是一個國家基礎設施建設的重要組成部分，同時也是經濟發(fā)展與技術進步的象征。本文簡要分析了大型橋梁的健康系統(tǒng)的設計，希望對同行以幫助。
