淺談橋梁健康監(jiān)測的研究
2015-06-09
近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和交通運(yùn)輸?shù)娜諠u繁忙，作為運(yùn)輸通道的重要組成部分的橋梁也發(fā)顯得重要。橋梁設(shè)計(jì)理論的實(shí)踐以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的預(yù)測與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合檢測的最重要的目的是使橋梁管理人員對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀況有一個(gè)正確較全面的認(rèn)識(shí)。這就要求管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測和準(zhǔn)確的智能化的自行評(píng)估的功能。
一、橋梁健康監(jiān)測意義
橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)涵即是通過對(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、和惡劣的交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)管理提供依據(jù)和指導(dǎo)。
二、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求
橋梁監(jiān)測系統(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。橋梁健康監(jiān)測的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對(duì)于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測系統(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)測項(xiàng)目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項(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)測系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本一效益分析。成本—效益分析是建立高效、根據(jù)功能要求和成本—效益分析可以將監(jiān)測項(xiàng)目和測點(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)測系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。
2.監(jiān)測的項(xiàng)目
不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項(xiàng)目也是不盡相同。因此，對(duì)于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器裝置于橋塔、處理好梁以及纜索/拉索各部位的工作，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)的橋梁動(dòng)力分析模型和響應(yīng)預(yù)測機(jī)制。另外，其他某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等各方面的信息。目前，有些監(jiān)測系統(tǒng)其中的一個(gè)目的就是開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)。依據(jù)橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項(xiàng)目是專為研究服務(wù)的。根據(jù)待研究問題的性質(zhì)可以確定與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項(xiàng)目，從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看，可以借助橋梁健康監(jiān)測進(jìn)行深入研究或論證與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項(xiàng)目有：
1）基礎(chǔ)：大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)計(jì)問題，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)測系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題，也是設(shè)計(jì)部門的需要。
2）結(jié)構(gòu)：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，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。
3）對(duì)惡劣環(huán)境的反應(yīng)：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)測數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法非常重要。
4）抗震性：包括研究各種場地地面運(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。通過對(duì)墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復(fù)力模型對(duì)橋梁的抗震分析具有重要的意義。
5）持久性：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。
6）抗風(fēng)性：包括風(fēng)場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。
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，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(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，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室”。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有許多問題需要研究。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評(píng)估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的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。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評(píng)估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。
三、橋梁健康監(jiān)測意義
1.監(jiān)控與評(píng)測
橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)測，為工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營狀況嚴(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)在各環(huán)境下的狀態(tài)；2）橋梁各部件的工作狀態(tài)；3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件持久性；4）外界環(huán)境條件。
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)境因素，在大橋設(shè)計(jì)過程中安全掌握和預(yù)測其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。所以，通過橋梁健康檢測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的信息行為來檢驗(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)模型具有驗(yàn)證作用，而且還有益于新的設(shè)計(jì)理論的產(chǎn)生。
3.研究與發(fā)展
橋梁健康監(jiān)的作用將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，而且它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室，掌握更多的有價(jià)值的動(dòng)態(tài)信息。運(yùn)營中的橋梁結(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，而且還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。
