淺談橋梁健康監(jiān)測的研究
2015-06-09
近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和交通運輸?shù)娜諠u繁忙，作為運輸通道的重要組成部分的橋梁也發(fā)顯得重要。橋梁設計理論的實踐以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的預測與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。對橋梁結(jié)構(gòu)進行綜合檢測的最重要的目的是使橋梁管理人員對橋梁結(jié)構(gòu)的當前狀況有一個正確較全面的認識。這就要求管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和準確的智能化的自行評估的功能。
一、橋梁健康監(jiān)測意義
橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、和惡劣的交通條件下或橋梁運營狀況出現(xiàn)嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護管理提供依據(jù)和指導。
二、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計
1.監(jiān)測系統(tǒng)設計的要求
橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設計應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)控與評估，或是設計驗證，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)測項目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進行成本一效益分析。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)測項目和測點數(shù)設計到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設施。因此，功能要求和效益—成本分析是設計橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準則。
2.監(jiān)測的項目
不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目也是不盡相同。因此，對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，以獲得較為詳細的結(jié)構(gòu)動力行為，并驗證結(jié)構(gòu)設計時的橋梁動力分析模型和響應預測機制。另外，其他某些連結(jié)部位須安設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)其中的一個目的就是開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(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)測項目是專為研究服務的。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)測項目，從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看，可以借助橋梁健康監(jiān)測進行深入研究或論證與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項目有：
1）基礎(chǔ)：大直徑樁的采用也帶來一些設計問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。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，也是設計部門的需要。
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）的破壞機制等等。索支承橋梁纜（拉） 索和吊桿的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。
3）對惡劣環(huán)境的反應：包括研究結(jié)構(gòu)在強風、強地面運動下的非線性特性，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。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評估方法非常重要。
4）抗震性：包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土—結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應、多點激勵對結(jié)構(gòu)響應的影響等。通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復力模型對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）抗風性：包括風場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風場中的行為以及抗風穩(wěn)定性。
在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環(huán)境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強調(diào)利用監(jiān)測信息驗證結(jié)構(gòu)的設計。還應看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。盡管橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(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。由運營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應用性也需要現(xiàn)場試驗與調(diào)查。
三、橋梁健康監(jiān)測意義
1.監(jiān)控與評測
橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評測，為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發(fā)出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導。為此，監(jiān)測系統(tǒng)通常對以下幾個方面進行監(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.設計驗證
由于大型橋梁的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境因素，在大橋設計過程中安全掌握和預測其力學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際結(jié)構(gòu)的信息行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義，不僅對設計理論和設計模型具有驗證作用，而且還有益于新的設計理論的產(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)和某種特定橋梁設計的反思，而且它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實驗室，掌握更多的有價值的動態(tài)信息。運營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息，不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，而且還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。
