大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用
2015-05-26
一、現(xiàn)代大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的概念
大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)際上是一個(gè)多參數(shù)(包括溫度、應(yīng)力、位移、動力特性等)的監(jiān)測。所謂大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)就是指利用一些設(shè)置在大型橋梁關(guān)鍵部位的測試元件、測試系統(tǒng)、測試儀器，實(shí)時(shí)、在線地量測大型橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的各種反應(yīng)，并通過對這些大型橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)與指令的遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)儲存與處理、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估與預(yù)警等一系列程序，分析大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況、評價(jià)其承受靜、動態(tài)荷載的能力和結(jié)構(gòu)的安全可靠性，為運(yùn)營及管理決策提供依據(jù).
大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信號分析技術(shù)以及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)正向?qū)崟r(shí)化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展。目前，包含多項(xiàng)檢測內(nèi)容、能對大型橋梁狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并集成了遠(yuǎn)程通信與評判控制的健康監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)成為大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的前沿.
大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要包括監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器及其優(yōu)化布設(shè)技術(shù)、數(shù)據(jù)自動采集與傳輸技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)、健康診斷與結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)等。
二、大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技技術(shù)
大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是集結(jié)構(gòu)監(jiān)測、系統(tǒng)辨識和結(jié)構(gòu)評估于一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。通常采用各種先進(jìn)的測試儀器設(shè)備對大型橋梁在外界各種激勵(lì)(包括交通荷載、環(huán)境荷載等)下的各種響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測;然后對監(jiān)測到的各種信息進(jìn)行處理，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型等知識對結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，分析結(jié)構(gòu)的損傷狀況;最后對大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，并確定科學(xué)的大橋維修、養(yǎng)護(hù)策略。其監(jiān)測內(nèi)容一般包括
1)大型橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)性能響應(yīng)，包括各種荷載下的內(nèi)力(應(yīng)力)、變形、固有頻率、模態(tài)、混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。
2)大型橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施的工作狀態(tài);
3)大橋所處環(huán)境條件等。
大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是運(yùn)用現(xiàn)代的傳感與通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測大型橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境荷載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，對于具體的一座大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測重點(diǎn)的不同，其相應(yīng)的監(jiān)測方法、內(nèi)容、規(guī)模、監(jiān)測效果也各不相同，但總體上應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:
1、系統(tǒng)功能要求
不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項(xiàng)目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估出發(fā)的。如果監(jiān)測系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別所需要的信息。一般來說，對于大跨度索支承大型橋梁，需要較多的傳感器布置于橋塔以及加勁梁以及纜索、拉索各部位，以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動力行為并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動力分析模型和響應(yīng)預(yù)測。
另外，在支座、擋塊以及某些聯(lián)結(jié)部位需安設(shè)傳感器獲取反映其傳力、約束狀況等的信息。因此大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要方面:
1）結(jié)構(gòu)整體行為方面:包括研究結(jié)構(gòu)在車橋共同作用、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動下的非線性特性以及橋址處環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)動力特性、靜力狀態(tài)(內(nèi)力分布、變形)的影響等。
2)結(jié)構(gòu)局部問題:例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其它疲勞問題;結(jié)合梁結(jié)合面的破壞機(jī)制;索支承大型橋梁纜(拉)索和吊桿的振動局部損傷機(jī)制。
3)抗震方面:包括各種場地地面運(yùn)動的空間與時(shí)間變化、結(jié)構(gòu)相互作用、多點(diǎn)激勵(lì)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等，通過對墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測進(jìn)行大型橋梁抗震分析等。
4)抗風(fēng)方面: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。
此外，也應(yīng)重視結(jié)構(gòu)耐久性問題、基礎(chǔ)變形規(guī)律、樁基的承載力等問題。
2、效益/成本分析
監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能，對于特定的大型橋梁，建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是大型橋梁監(jiān)控與評估，或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，甚至以研究發(fā)展為目的。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，也就可以確定其功能的設(shè)計(jì)要求。但由于監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中各監(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)必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本/效益分析。根據(jù)功能要求和成本/效益分析將監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)到所需的范圍內(nèi)，以便最優(yōu)化地選擇安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。
三、傳感器及其優(yōu)化布置技術(shù)
傳感器的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面的因素:傳感器類型的選擇以及傳感器的精度、分辨率、頻響及動態(tài)范圍;傳感器布設(shè)位置以及其周圍動態(tài)環(huán)境的影響程度、測量噪聲的影響程度等。
大型大型橋梁健康檢測、監(jiān)測過程中應(yīng)用的傳感器主要用來測量加速度、速度、位移及應(yīng)變等參數(shù)，由于大型橋梁結(jié)構(gòu)尺寸龐大，同時(shí)自振頻率往往非常低，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)水平通常也非常小，因此，要求傳感器必須具有頻響范圍廣、低頻響應(yīng)好、測量范圍大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等，它們己廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測中，這里不再贅述.
目前新興的傳感器主要有:疲勞壽命絲、壓電材料傳感器、碳纖維、半導(dǎo)體材料和光纖傳感器等。
光纖傳感器是隨著光纖通訊技術(shù)的蓬勃發(fā)展而涌現(xiàn)出來的一種先進(jìn)的傳感器，是用于長期監(jiān)測的最理想材料。其主要性能特點(diǎn)包括:
1)具有感測和傳輸雙重功能;抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕，本質(zhì)安全可靠，耐久性好;靈敏度高;重量輕、體積小、可撓曲，對被測介質(zhì)影響小;
2)便于復(fù)用、成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò);
3)測量范圍廣?？蓽y量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
四、大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
現(xiàn)代大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)不只是傳統(tǒng)的大型橋梁檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測大型橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，并由此分析結(jié)構(gòu)的健康狀況、評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為大型橋梁的管理與維修決策提供科學(xué)依據(jù).
1 監(jiān)測系統(tǒng)的組建
2 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
1)目的與功能的主輔原則
監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該以建立該系統(tǒng)的目的和功能為主導(dǎo)性原則，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的確定后，則系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目和儀器系統(tǒng)就可基本確定。一般而言，建立大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是掌握結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全狀況，因此健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮以結(jié)構(gòu)安全性為主的監(jiān)測原則，是能夠關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全與否的重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容，而其它目的則為輔助性的。
2)功能與成本最優(yōu)原則
健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本通常比較大，其成本一般由三大部分組成:結(jié)構(gòu)仿真分析費(fèi)用、儀器系統(tǒng)費(fèi)用及處理軟件費(fèi)用。結(jié)構(gòu)仿真分析部分費(fèi)用一般較小，但其意義重大。儀器系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)成本的主要部分，監(jiān)測項(xiàng)目及傳感器數(shù)量越多，監(jiān)測信息就越全面，從而系統(tǒng)成本就越高;反之則降低系統(tǒng)成本，但同時(shí)可能會因?yàn)楸O(jiān)測信息不足而使監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性減小。所以為使系統(tǒng)成本更合理，有必要對功能與成本進(jìn)行優(yōu)化，使用最小的投資，獲得最大的有效監(jiān)測信息。信息處理軟件費(fèi)用，其主要功能是對巨量信息進(jìn)行解釋、存儲、傳輸及初步評價(jià)等，
該部分費(fèi)用相對也比較小。
3)系統(tǒng)性和可靠性原則
監(jiān)測分析、仿真計(jì)算、工程經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，也只有用系統(tǒng)分析原理，使測點(diǎn)之間、監(jiān)測項(xiàng)目之間能相互結(jié)合，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測功效;監(jiān)測系統(tǒng)最基本的要求是可靠性，而整個(gè)系統(tǒng)的可靠性取決于所組成的各種儀器的可靠性、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的布置及設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌安排和施工上的配合等因素。
4)關(guān)鍵部件優(yōu)先與兼顧全面性原則
關(guān)鍵部件是指各種原因?qū)е碌目赡芷茐膮^(qū)、變形敏感區(qū)及結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，這些關(guān)鍵部件都必須重點(diǎn)監(jiān)測。但也應(yīng)考慮全面性，考慮對結(jié)構(gòu)整體性進(jìn)行監(jiān)測，例如基礎(chǔ)的總體安全性監(jiān)控等。
5)實(shí)時(shí)與定期監(jiān)測結(jié)合原則
根據(jù)監(jiān)測目的、功能與成本優(yōu)化確定監(jiān)測項(xiàng)目后，應(yīng)該考慮的是實(shí)時(shí)監(jiān)測與定期監(jiān)測分別設(shè)置的原則。由于監(jiān)測項(xiàng)目的不同，有些項(xiàng)目不必長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，但其監(jiān)測頻率又遠(yuǎn)高于人工監(jiān)測，這時(shí)可考慮采用定期監(jiān)測，以減少后期維護(hù)成本和數(shù)據(jù)處理壓力。
結(jié)束語：
交通運(yùn)輸是一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)命脈，而大型橋梁是交通的咽喉，大型橋梁的建造和維護(hù)是一個(gè)國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的象征。本文簡要分析了大型橋梁的健康系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，希望對同行以幫助。
