淺談橋梁傳統(tǒng)檢測方法的應(yīng)用及健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展
2015-06-30
1 橋梁監(jiān)測的必要性
盡管橋梁建設(shè)的水平和質(zhì)量都在不斷提高，但是，建成通車后，隨著時間的推移，各種因素的影響下橋梁安全度還是有所降低，影響橋梁的運作和車輛營運的安全。尤其是重大工程結(jié)構(gòu)，諸如跨江跨海的超大跨橋梁，它們的使用期長達幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的偶合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。［1］
2 傳統(tǒng)的檢測方法
2.1 無損檢測
無損檢測是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下，通過測定對應(yīng)的物理量來判斷結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件相應(yīng)的性能的檢測方法。在橋梁工程中主要應(yīng)用于：
?。?）混凝土的強度、內(nèi)部缺陷及其他性能檢測 回彈法：采用回彈儀的彈簧驅(qū)動重錘，通過彈擊桿彈擊混凝土表面，待重錘被反彈，以反彈回來的距離作為強度相關(guān)指標來推算混凝土強度的一種方法。
超聲法：超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的，進而判斷缺陷的位置和大小。
?。?）鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測 射線探傷：利用射線穿透工件時，由于缺陷與工件材料對射線的衰減作用不同，從而使膠片感光不一樣，于是底片上形成黑度不同的影像，據(jù)此來判斷材料內(nèi)部的缺陷情況。
金屬磁記憶方法：在役設(shè)備的構(gòu)件，由于其結(jié)構(gòu)遺傳性和運行中負載的關(guān)系，金屬的磁記憶以累積方式表現(xiàn)出來。運行中構(gòu)件載荷作用力的大小和方向會引起金屬磁化在量值和方向上的變化。
2.2 半破損檢測
半破損方法以不影響結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的承載能力為前提，在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上直接進行局部破壞性試驗，或直接鉆取芯樣進行破壞性試驗，然后根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)推算出強度標準值的推定值或特征強度。由于是以局部破壞性試驗獲得結(jié)構(gòu)混凝土的實際抵抗破壞的能力，因此結(jié)果相對直觀可靠。
2.3 橋梁靜載、動載試驗
橋梁靜載試驗需要測量的結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移、反力、傾角和裂縫等。
橋梁動載試驗中，需要檢測、記錄和分析結(jié)構(gòu)動力特性以及載動力荷載下的應(yīng)力、位移、速度、加速度等物理量。
3 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用
傳統(tǒng)檢測技術(shù)有了比較長的發(fā)展時間，技術(shù)也日趨完善，然而，由于其本質(zhì)的限制，首先，過于依賴人力；其次，每次檢測都耗費巨大并且造成營運的中斷，最后也是最重要的是，它不能及時地反映橋梁狀態(tài)。于是，一種新的突破傳統(tǒng)檢測方法的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生――橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。
橋梁的健康監(jiān)測是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析， 達到監(jiān)測橋梁損傷或退化的目的，而且需要在超過規(guī)定值的時候發(fā)出警報，進而為橋梁維護維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備、通訊系統(tǒng)、監(jiān)控中心及報警設(shè)備。［2］按照張啟偉在《橋梁健康監(jiān)測中的損傷特征提取與異常診斷》認為，應(yīng)按以下步驟進行結(jié)構(gòu)健康診斷：（1）對來自正常狀態(tài)（已知）與未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進行等長度分段，分別形成由大量數(shù)據(jù)段構(gòu)成的正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基和未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)的待處理信號集；（2）通過對各數(shù)據(jù)段的信號處理生成特征空間，并將未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)的待處理信號集與正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基進行條件歸一化 ，形成具有相似的環(huán)境或運營條件的“待處理信號－參考數(shù)據(jù)對”（參考數(shù)據(jù)來自于正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基）。條件歸一化即對未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)待處理信號集中的每一個數(shù)據(jù)段，在正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基中尋找一個與其最“相似”的數(shù)據(jù)段；（3）對歸一化后的待處理信號-參考數(shù)據(jù)對進行信號分析，構(gòu)造并計算損傷特征參數(shù)；（4）對計算的眾多損傷特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析，進而進行結(jié)構(gòu)異常診斷和損傷定位。它是一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)健康的在線實時連續(xù)監(jiān)測、檢查與損傷探測的自動化系統(tǒng)，能夠通過局域網(wǎng)絡(luò)或遠程中心，自動地報告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
4 橋梁監(jiān)測的內(nèi)容與方法
4.1 橋梁所處環(huán)境條件的監(jiān)測
由于橋梁所處的環(huán)境不僅影響橋梁本身的變化，例如：溫度影響下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，風(fēng)荷載下產(chǎn)生位移，不同氣候下對橋梁產(chǎn)生的腐蝕等。而且特殊情況下還影響到橋梁的營運，甚至安全，例如臺風(fēng)和地震，另外，交通狀態(tài)也是造成橋梁疲勞損傷的重要原因。因此，有必要對以下項目進行監(jiān)測：（1）風(fēng)荷載；（2）溫度；（3）使用濕度計記錄環(huán)境的濕度；（4）使用酸堿度傳感器測量橋梁周圍水體中的PH值；（5）在地震頻繁地區(qū)需使用強震儀記錄地震作用；（6）日交通流量的統(tǒng)計由設(shè)在收費車道的傳感器、攝像機及其電腦系統(tǒng)自動進行。內(nèi)容包括:測量各類型車輛的流量及通過時間，記錄和觀察大橋上交通擠塞情況，車輛分布模式，以推算適時的大橋交通荷載；
4.2 橋梁狀況的監(jiān)測
對橋梁狀況的監(jiān)測能讓我們及時地發(fā)現(xiàn)橋梁已經(jīng)出現(xiàn)和潛在的問題，進而可以采取各種措施避免問題擴大，尤其是阻止事故發(fā)生。對橋梁中某些部分對橋梁正常運行具有至關(guān)重要的作用，例如：對大跨度懸吊結(jié)構(gòu)，如懸索橋、斜拉橋以及具有分離式拱肋的大跨度下承式或中承式鋼管混凝土拱橋，它們都具有或長或短的拉索（纜索）或吊桿，而拉索是結(jié)構(gòu)中主要的承重構(gòu)件，與橋梁的整體性能有著密切的關(guān)系。因此這些部分是健康監(jiān)測系統(tǒng)中重點監(jiān)測的地方。
4.3 橋梁正常運作下整體性能的監(jiān)測
橋梁整體性能的監(jiān)測包括：（1）位移監(jiān)測； （2）撓度監(jiān)測；（3）結(jié)構(gòu)靜、動力的監(jiān)測；（4）結(jié)構(gòu)材質(zhì)監(jiān)測；（5）結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測；（6）裂縫監(jiān)測。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個長期的智能監(jiān)測系統(tǒng)，是一個新興的課題。其首要任務(wù)是盡可能準確地采集橋梁的各種信息，從而進行評估。也就是說反映橋梁實際狀態(tài)的各種信息越完備，橋梁的健康狀況評估就越有可能實現(xiàn)。而要想準確掌握橋梁的各種信息，傳感器的選用便成為關(guān)鍵，傳統(tǒng)的傳感器由于其本質(zhì)上的缺點，無法長期提供穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)，不能滿足健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求。隨著近些年全球定位系統(tǒng)在測量技術(shù)中精度的提高已經(jīng)開始了橋梁中的應(yīng)用，還有一個是，光纖傳感器出現(xiàn)以后，解決了傳統(tǒng)傳感器的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)長期的過程監(jiān)測，只是光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化程度不高，其高昂的費用限制了這一技術(shù)的大量應(yīng)用。而橋梁狀態(tài)評估則是健康監(jiān)測系統(tǒng)的最終目的，好比醫(yī)生給病人檢查后對病因的確定。這一部分是對獲得的橋梁信息進行分析處理，然后做出評估。
