橋梁健康監(jiān)測研究及發(fā)展趨勢
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，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、超重車過橋數(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)測及評估手段使橋梁管理層和決策層無法對其整體使用性能做出客觀準(zhǔn)確的評估，因此也無法采用低成本、高效益的維修養(yǎng)護(hù)方法。在這種形勢下，建立與之相適應(yīng)相匹配的橋梁綜合監(jiān)測與評估系統(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)測的概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(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)合無損檢測(NDT)和結(jié)構(gòu)特性分析(包括結(jié)構(gòu)響應(yīng))，從營運(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結(jié)構(gòu)將要造成的后果。通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號，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)測根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性評估的需要和橋梁管理、決策部門的信息需求，并結(jié)合目前國內(nèi)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)條件及橋梁現(xiàn)場監(jiān)測條件，確定橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中實(shí)施的監(jiān)測項(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)測項(xiàng)目。
2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成
2，1 采集測量部分
采集測量部分的監(jiān)測項(xiàng)目一般包括位移、應(yīng)力、動力特性、溫度、表觀檢測等。1)位移監(jiān)測。利用測量手段，對橋梁各控制斷面的位移變形進(jìn)行監(jiān)測，并繪編相應(yīng)的位移變形影響線和影響面以檢測各控制部位位移變形狀態(tài)，從而為總體評估橋梁的承載能力、營運(yùn)狀態(tài)和耐久能力提供依據(jù)。常用的位移變形監(jiān)測方法有導(dǎo)線測量(觀測水平位移)、幾何水準(zhǔn)法(觀測豎向位移)、GPS測定三維位移量法、自動極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分測量法(ATR自動監(jiān)測系統(tǒng))和自動全站儀的方法。2)應(yīng)力監(jiān)測。運(yùn)營狀態(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。通過應(yīng)力監(jiān)測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)動力特性監(jiān)測。橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性與橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼值及其分布有關(guān)，對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性監(jiān)測主要在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(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)微小振動響應(yīng)。主要測定主梁的固有振動頻率、振型等。4)溫度監(jiān)測。通過對整橋溫度場的監(jiān)測，可以設(shè)法消除溫度變化對某些監(jiān)測過程或傳感器本身的測量精度的影響；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。表觀檢測包括混凝土裂縫檢測、混凝土強(qiáng)度檢測、混凝土碳化深度檢測以及混凝土表觀質(zhì)量檢測以及橋面鋪裝、支座、伸縮縫等的損壞情況。
6)其他監(jiān)測項(xiàng)目。
2．2 數(shù)據(jù)傳輸部分
穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸部分對于保證監(jiān)測系統(tǒng)的長期運(yùn)行有著重要意義，同時(shí)是獲取有效、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)的前提，主要應(yīng)該解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵問題：
1)關(guān)于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐絾栴}。同步問題是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一。是后期數(shù)據(jù)處理、分析和橋梁健康評估的基本前提條件。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)采集過程中單點(diǎn)故障問題。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)于故障自動報(bào)警的問題。系統(tǒng)能夠識別傳感器故障包括電流回路泄漏、對不可信信號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)的問題。系統(tǒng)具有能夠?qū)λO(jiān)測數(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)控的問題。通過因特網(wǎng)技術(shù)可以使橋梁管理者或橋梁專家在異地對系統(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)處理的中心問題，一般稱之為數(shù)據(jù)管理。二十世紀(jì)六、七十年代以來，數(shù)據(jù)管理技術(shù)提高到了數(shù)據(jù)庫階段，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)庫系統(tǒng)來完成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)是：解決數(shù)據(jù)冗余問題；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)共享而帶來的數(shù)據(jù)完整性、安全性及并發(fā)控制等一系列問題。
3 主要理論研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展
目前，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)評估的內(nèi)容有三個方面，即承載能力、營運(yùn)狀態(tài)和耐久能力l5．6 J。承載能力評估與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性有關(guān)。其評估的目的是要找出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲備，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)評估的主要內(nèi)容。營運(yùn)狀態(tài)評估與橋梁結(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)營運(yùn)狀態(tài)評估結(jié)果是十分重要的。耐久能力的評估側(cè)重于橋梁的損傷及其成因，以及其對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是采用無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，無線傳輸?shù)目垢蓴_性也得到了穩(wěn)步提高，在未來將有很大的應(yīng)用空間。
目前已有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中，往往存在監(jiān)測項(xiàng)目種類不足，而個別項(xiàng)目的規(guī)模又過于龐大，尤其在對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理方面，還沒有一個較為完善的數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)得不到妥善的處理與利用。并且?，F(xiàn)有的橋梁監(jiān)測和狀態(tài)評估系統(tǒng)大多屬于單一的監(jiān)測系統(tǒng)或者是單一的管理系統(tǒng)。作為一個橋梁健康監(jiān)測綜合評估系統(tǒng)，必須建立綜合評估機(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)測在國內(nèi)尚處于起步階段，實(shí)際情況是，由于各種原因，國內(nèi)現(xiàn)有的幾個監(jiān)測系統(tǒng)均有不同程度的癱瘓。隨著橋梁健康監(jiān)測工作的進(jìn)一步深入，監(jiān)測系統(tǒng)還需要解決遠(yuǎn)距離監(jiān)測、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題。一方面，在系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)評估方面還都沒有現(xiàn)成的規(guī)范；另一方面。隨著人們對橋梁安全性認(rèn)識的逐步提高，橋梁健康監(jiān)測的市場前景越來越廣闊。在實(shí)踐中探索出一套穩(wěn)定可靠的監(jiān)測系統(tǒng)、明確各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、研究監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體用途是健康監(jiān)測下一步工作的目標(biāo)。
