論橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念
2015-06-11
近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通運(yùn)輸日漸繁忙,作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問(wèn)題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵。
對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合檢測(cè)的最終目的是為了使橋梁管理人員對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀況有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。這就要求管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化的自行評(píng)估的功能。
一、橋梁健康監(jiān)測(cè)新概念橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估,為大橋在特殊氣候、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)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
為此,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)以下幾個(gè)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(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài); 2、橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(加支座)和附屬設(shè)施(如振動(dòng)控制元件)的工作狀態(tài); 3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性; 4、大橋所處環(huán)境條件;等等。
與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不同,大型橋梁健康監(jiān)測(cè)不僅要求在測(cè)試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力,而且力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。 然而,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。由于大型橋梁(尤其是斜拉橋、懸索橋)的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依賴(lài)于理論分析并過(guò)風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)預(yù)測(cè)橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而,結(jié)構(gòu)理論分析常基于理想化的有限元離散模型,并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此,通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來(lái)驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上,國(guó)外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測(cè)信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
二、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 顯然,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測(cè)三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測(cè)的目的和功能所在。對(duì)于特定的橋梁,建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評(píng)估,或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證,甚至以研究發(fā)展為目的;也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定,系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目就可以基本上確定。另外,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提。
根據(jù)功能要求和成本-效益分析可以將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需的范圍,可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此,功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。 2、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同。因此,對(duì)于大跨度余支承橋梁,須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位,以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應(yīng)預(yù)測(cè)。另外,在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。 目前,某些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁?jiǎn)栴}研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖不多見(jiàn),但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是專(zhuān)為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以根據(jù)待研究問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)確定。
從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看,以下幾方面的問(wèn)題可以借助橋梁健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入研究或論證。 (1)抗風(fēng)方面:包括風(fēng)場(chǎng)特性觀測(cè)、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場(chǎng)中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。 (2)抗震方面:包括研究各種場(chǎng)地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過(guò)對(duì)墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測(cè)建立恢復(fù)力模型對(duì)橋梁的抗震分析具有重要的意義。 (3)結(jié)構(gòu)整體行為方面:包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性,橋址處環(huán)境條件變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)(內(nèi)力分布、變形)的影響等。這對(duì)于發(fā)展基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法非常重要。 (4)結(jié)構(gòu)局部問(wèn)題:例如邊界、聯(lián)接條件,鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問(wèn)題,結(jié)合梁結(jié)合面(包括剪力鍵)的破壞機(jī)制,等等。索支承橋梁纜(拉)索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。 (5)耐久性問(wèn)題:橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問(wèn)題尚有許多問(wèn)題須要深入研究。纜(拉)索與吊桿的腐蝕、銹蝕問(wèn)題尤須重視。 (6)基礎(chǔ):大直徑樁的采用也帶來(lái)一些設(shè)計(jì)問(wèn)題,直接套用原先用于中等直徑樁的計(jì)算方法不很合理。借助橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問(wèn)題,也是設(shè)計(jì)部門(mén)的需要。
三、橋梁健康監(jiān)測(cè)意義
1、監(jiān)控與評(píng)估 橋梁健康檢測(cè)的基本內(nèi)涵是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估,為工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(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)。為此,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常對(duì)以下幾個(gè)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(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài);②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài);③結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;④工程所處環(huán)境條件等等。
2、設(shè)計(jì)驗(yàn)證 由于大型橋梁的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計(jì)階段安全掌握和預(yù)測(cè)其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此,通過(guò)橋梁健康檢測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來(lái)檢驗(yàn)大橋的理論模型和計(jì)算假定具有重要意義。不僅對(duì)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)模型有驗(yàn)證作用,而且有益于新的設(shè)計(jì)理論的形成。
3、研究與發(fā)展 橋梁健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)的將不僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計(jì)的反思,它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。由于運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充,而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。
