淺談橋梁傳統(tǒng)檢測(cè)方法的應(yīng)用及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展
2015-06-30
1 橋梁監(jiān)測(cè)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(chē)后，隨著時(shí)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(yùn)作和車(chē)輛營(yíng)運(yùn)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(zhǎng)達(dá)幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)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(cè)方法
2.1 無(wú)損檢測(cè)
無(wú)損檢測(cè)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下，通過(guò)測(cè)定對(duì)應(yīng)的物理量來(lái)判斷結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件相應(yīng)的性能的檢測(cè)方法。在橋梁工程中主要應(yīng)用于：
?。?）混凝土的強(qiáng)度、內(nèi)部缺陷及其他性能檢測(cè) 回彈法：采用回彈儀的彈簧驅(qū)動(dòng)重錘，通過(guò)彈擊桿彈擊混凝土表面，待重錘被反彈，以反彈回來(lái)的距離作為強(qiáng)度相關(guān)指標(biāo)來(lái)推算混凝土強(qiáng)度的一種方法。
超聲法：超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí),材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的，進(jìn)而判斷缺陷的位置和大小。
?。?）鋼結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè) 射線探傷：利用射線穿透工件時(shí)，由于缺陷與工件材料對(duì)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(lái)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(yùn)行中負(fù)載的關(guān)系，金屬的磁記憶以累積方式表現(xiàn)出來(lái)。運(yùn)行中構(gòu)件載荷作用力的大小和方向會(huì)引起金屬磁化在量值和方向上的變化。
2.2 半破損檢測(cè)
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(jìn)行局部破壞性試驗(yàn)，或直接鉆取芯樣進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)推算出強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的推定值或特征強(qiáng)度。由于是以局部破壞性試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)混凝土的實(shí)際抵抗破壞的能力，因此結(jié)果相對(duì)直觀可靠。
2.3 橋梁靜載、動(dòng)載試驗(yàn)
橋梁靜載試驗(yàn)需要測(cè)量的結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移、反力、傾角和裂縫等。
橋梁動(dòng)載試驗(yàn)中，需要檢測(cè)、記錄和分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及載動(dòng)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)有了比較長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間，技術(shù)也日趨完善，然而，由于其本質(zhì)的限制，首先，過(guò)于依賴人力；其次，每次檢測(cè)都耗費(fèi)巨大并且造成營(yíng)運(yùn)的中斷，最后也是最重要的是，它不能及時(shí)地反映橋梁狀態(tài)。于是，一種新的突破傳統(tǒng)檢測(cè)方法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生――橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
橋梁的健康監(jiān)測(cè)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)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(dá)到監(jiān)測(cè)橋梁損傷或退化的目的，而且需要在超過(guò)規(guī)定值的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而為橋梁維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)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(bào)警設(shè)備。［2］按照張啟偉在《橋梁健康監(jiān)測(cè)中的損傷特征提取與異常診斷》認(rèn)為，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康診斷：（1）對(duì)來(lái)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(jìn)行等長(zhǎng)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(hào)集；（2）通過(guò)對(duì)各數(shù)據(jù)段的信號(hào)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(hào)集與正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基進(jìn)行條件歸一化 ，形成具有相似的環(huán)境或運(yùn)營(yíng)條件的“待處理信號(hào)－參考數(shù)據(jù)對(duì)”（參考數(shù)據(jù)來(lái)自于正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基）。條件歸一化即對(duì)未知狀態(tài)結(jié)構(gòu)待處理信號(hào)集中的每一個(gè)數(shù)據(jù)段，在正常結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基中尋找一個(gè)與其最“相似”的數(shù)據(jù)段；（3）對(duì)歸一化后的待處理信號(hào)-參考數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行信號(hào)分析，構(gòu)造并計(jì)算損傷特征參數(shù)；（4）對(duì)計(jì)算的眾多損傷特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而進(jìn)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(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查與損傷探測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程中心，自動(dòng)地報(bào)告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
4 橋梁監(jiān)測(cè)的內(nèi)容與方法
4.1 橋梁所處環(huán)境條件的監(jiān)測(cè)
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(duì)橋梁產(chǎn)生的腐蝕等。而且特殊情況下還影響到橋梁的營(yíng)運(yùn)，甚至安全，例如臺(tái)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(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)：（1）風(fēng)荷載；（2）溫度；（3）使用濕度計(jì)記錄環(huán)境的濕度；（4）使用酸堿度傳感器測(cè)量橋梁周?chē)w中的PH值；（5）在地震頻繁地區(qū)需使用強(qiáng)震儀記錄地震作用；（6）日交通流量的統(tǒng)計(jì)由設(shè)在收費(fèi)車(chē)道的傳感器、攝像機(jī)及其電腦系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行。內(nèi)容包括:測(cè)量各類(lèi)型車(chē)輛的流量及通過(guò)時(shí)間，記錄和觀察大橋上交通擠塞情況，車(chē)輛分布模式，以推算適時(shí)的大橋交通荷載；
4.2 橋梁狀況的監(jiān)測(cè)
對(duì)橋梁狀況的監(jiān)測(cè)能讓我們及時(shí)地發(fā)現(xiàn)橋梁已經(jīng)出現(xiàn)和潛在的問(wèn)題，進(jìn)而可以采取各種措施避免問(wèn)題擴(kuò)大，尤其是阻止事故發(fā)生。對(duì)橋梁中某些部分對(duì)橋梁正常運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，例如：對(duì)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(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地方。
4.3 橋梁正常運(yùn)作下整體性能的監(jiān)測(cè)
橋梁整體性能的監(jiān)測(cè)包括：（1）位移監(jiān)測(cè)； （2）撓度監(jiān)測(cè)；（3）結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力的監(jiān)測(cè)；（4）結(jié)構(gòu)材質(zhì)監(jiān)測(cè)；（5）結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)；（6）裂縫監(jiān)測(cè)。
橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)期的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)新興的課題。其首要任務(wù)是盡可能準(zhǔn)確地采集橋梁的各種信息，從而進(jìn)行評(píng)估。也就是說(shuō)反映橋梁實(shí)際狀態(tài)的各種信息越完備，橋梁的健康狀況評(píng)估就越有可能實(shí)現(xiàn)。而要想準(zhǔn)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(diǎn)，無(wú)法長(zhǎng)期提供穩(wěn)定的測(cè)試數(shù)據(jù)，不能滿足健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。隨著近些年全球定位系統(tǒng)在測(cè)量技術(shù)中精度的提高已經(jīng)開(kāi)始了橋梁中的應(yīng)用，還有一個(gè)是，光纖傳感器出現(xiàn)以后，解決了傳統(tǒng)傳感器的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期的過(guò)程監(jiān)測(cè)，只是光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化程度不高，其高昂的費(fèi)用限制了這一技術(shù)的大量應(yīng)用。而橋梁狀態(tài)評(píng)估則是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目的，好比醫(yī)生給病人檢查后對(duì)病因的確定。這一部分是對(duì)獲得的橋梁信息進(jìn)行分析處理，然后做出評(píng)估。
