橋梁健康監(jiān)測
2015-07-29
橋梁建成以后，由于受氣候、環(huán)境因素的影響，結(jié)構(gòu)材料會被腐蝕和逐漸老化，長期的靜、動力荷載作用，使其強度和剛度隨著時間的增加而降低。這不僅會影響行車安全，更會使橋梁的使用壽命縮短。對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進行檢測與監(jiān)測，并在此基礎上對其安全性能進行評估是橋梁運營日常管理的重要內(nèi)容。橋梁健康監(jiān)測具有十分重要的作用。
一、橋梁健康監(jiān)測的概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(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、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護維修與管理決策提供依據(jù)和指導。
二、橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容
1、施工階段的健康監(jiān)測內(nèi)容
大跨橋梁結(jié)構(gòu)由于在施工階段受到施工荷載或自然環(huán)境因素的影響而使結(jié)構(gòu)變形或受力與成橋狀態(tài)的設計要求不符，因此為確保施工中橋梁結(jié)構(gòu)的安全和保證結(jié)構(gòu)物的外形和內(nèi)力狀態(tài)滿足設計要求，需在施工中對其進行健康監(jiān)測。其監(jiān)測的主要內(nèi)容有：
?。?） 幾何形態(tài)檢測。主要是獲取已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)實際幾何形態(tài)參數(shù)，如高程、跨度、結(jié)構(gòu)或纜索的線形、構(gòu)造物的變形和位移等。
?。?） 橋梁結(jié)構(gòu)的截面應力監(jiān)測。這是橋梁施工階段安全監(jiān)測最重要的內(nèi)容，包括混凝土應力、鋼筋應力和鋼結(jié)構(gòu)應力的監(jiān)測，它是橋梁施工過程的安全預警系統(tǒng)。
?。?）索力監(jiān)測。大跨徑橋梁采用斜拉橋和懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)越來越普遍，斜拉橋的斜拉索、懸索橋的主纜索及吊索的索力是設計的重要參數(shù)，也是橋梁安全監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。
（4） 預應力監(jiān)測。主要對預應力筋的張拉真實應力、預應力管道摩阻導致預應力損失以及永久預應力值進行監(jiān)測。
?。?） 溫度監(jiān)測。對大跨徑橋梁，特別是斜拉橋或懸索橋，其溫度效應十分明顯，斜拉橋的斜拉索隨溫度變化的伸縮，將直接影響主梁的標高；懸索橋主纜索的線形也將隨溫度而變化，此時對溫度進行監(jiān)測十分必要。
?。?） 下部結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。對于斜拉橋和懸索橋等特大型橋梁，其構(gòu)筑物基礎分布集中，荷載集度通常非常大，因而必須對地基的內(nèi)外部變形、地錨的應力以及主塔樁基的軸力等進行監(jiān)測。
2 運營階段的健康監(jiān)測內(nèi)容及使用的傳感器
（1）荷載監(jiān)測。包括風、地震、溫度、交通荷載、聲荷載等。所使用的傳感器有：風速儀——記錄風向、風速進程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得到風功率譜；溫度計——記錄溫度、溫度差時程歷史；動態(tài)地稱——記錄交通荷載流時程歷史，連接數(shù)據(jù)處理后可得交通荷載譜；強震儀——記錄地震作用；攝像機——記錄車流情況和交通事故等。
?。?）表面形貌監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各部位的靜態(tài)位置、動態(tài)位置、沉降、傾斜、線形變化、位移、裂紋、斑點、凹坑等。所使用的傳感器有：位移計、傾角儀、GPS、電子測距器（EDM）、數(shù)字像機等。
?。?）結(jié)構(gòu)的強度監(jiān)測。監(jiān)測橋梁的應變、應力、索力、動力反應（頻率模態(tài)）、扭矩等。所使用的傳感器有：應變儀——記錄橋梁靜動力應變、應力，連接數(shù)據(jù)處理后可得構(gòu)件疲勞應力循環(huán)譜；測力計（力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷）——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史；加速度計——記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應加速度，連接數(shù)據(jù)處理后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
?。?）振動監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動、沖擊、機械導納以及模態(tài)參數(shù)等。
?。?）性能趨向監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標等。
（6）非結(jié)構(gòu)部件及輔助設施。監(jiān)測支座、振動控制設施等。
對于不同的監(jiān)測對象，由于影響其工作性能的控制因素不同，所以監(jiān)測的物理參數(shù)各不相同。同一物理參數(shù)對不同的結(jié)構(gòu)又具有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中監(jiān)測對象的選擇是至關重要的一步。通常對于大型橋梁結(jié)構(gòu)而言，常以振動監(jiān)測、荷載監(jiān)測、強度監(jiān)測和表面形貌監(jiān)測為主要目標，且通常選擇靈敏度高的特征參數(shù)或幾種參數(shù)聯(lián)合使用作為監(jiān)測對象。完善的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以驗證橋梁設計理論、施工質(zhì)量，監(jiān)測結(jié)構(gòu)局部和整體服役狀態(tài)、監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷、抗力衰減及其演化規(guī)律，識別結(jié)構(gòu)損傷及其位置。進行橋梁安全性、耐久性評定與預測以及橋梁安全事故預警等等。但在相當長的時期內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)還不能完全取代傳統(tǒng)的人工檢查，而只是配合人工檢查，但對于大跨橋梁來說，有了可靠的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，至少可以縮小人工檢查的范圍，加快損傷識別的速度。
三 橋梁監(jiān)測方法
1 基于動力的健康監(jiān)測方法
目前研究中的大部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，集中于使用動力響應來檢測和定位損傷，因為這些方法是整體的檢測方法，可以對大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行快速的檢測。這些基于動力學的方法可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時域方法，④頻域方法。其中空間域方法根據(jù)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣的改變來檢測和確定損傷位置；模態(tài)域方法根據(jù)自振頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型的改變來檢測損傷；在頻域方法中，模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比和振型等是確定的，從非線性自回歸移動平均模型估計出光譜分析逆動力問題和廣義頻率響應函數(shù)被用于非線性系統(tǒng)的識別。在時域方法中，系統(tǒng)參數(shù)通過在一定時間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)來確定；如果結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性在外部荷載作用下隨時間改變，那么有必要確定由時域方法得出的系統(tǒng)動力特性在時間上的改變。進一步地，可以使用四種域中提出的任何動力響應，采用與模態(tài)無關或與模態(tài)相關的方法進行損傷檢驗。文獻資料顯示：模態(tài)無關的方法可以檢測出損傷的存在而無需大量的計算，但在確定損壞位置時并不精確；另一方面，模態(tài)相關的方法比與模態(tài)無關的方法相比：通常在確定損傷位置上更加精確且只需更少的傳感器，但該方法要求有恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型和大量的計算。雖然時域方法使用傳統(tǒng)的振動測量儀器得到的原始時域數(shù)據(jù)，這些方法要求某些結(jié)構(gòu)信息和大量的計算，且具有個案特性。此外，頻域方法和模態(tài)域方法使用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，但轉(zhuǎn)換存在誤差和噪音。而且，在空間域方法中，質(zhì)量和剛度矩陣的建模與修正還存在問題且難以精確。將兩三種方法結(jié)合起來檢測和評估結(jié)構(gòu)的損傷具有很強的發(fā)展趨勢。例如，幾位研究者將靜載測試和模型測試的數(shù)據(jù)結(jié)合起來評估損傷，這樣可以克服各自方法的缺點并相互檢查，與損傷檢測的復雜性相適應。
2 聯(lián)合靜動力的健康監(jiān)測方法
靜力參數(shù)（位移與應變等）是根據(jù)靜力荷載如在橋上緩慢移動的車輛引起的變形進行量測。在許多情況下，施加靜力荷載比動力荷載更為經(jīng)濟，對于狀況評估，許多應用只需要單元剛度。在這些情況下，靜力測試和分析即簡單又經(jīng)濟。通常的橋梁監(jiān)測中都需要監(jiān)測靜態(tài)應變（和動態(tài)應變）、靜力位移（和動撓度）以及相應的環(huán)境溫度、濕度和風荷載。
既然自振頻率、振型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力響應都是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)可通過比較數(shù)學模型預測的靜動力特性和試驗確定的靜動力特性值得到。損傷發(fā)展的結(jié)果之一是局部剛度的減小，從而導致一些響應的改變；因此，對損傷檢測和評估，綜合結(jié)構(gòu)靜動力特性的監(jiān)測是非常必要的。根據(jù)這一思想，結(jié)合靜態(tài)應變、靜態(tài)位移與動力響應（即振型或模態(tài)柔度等）來確定損傷位置和識別損傷程度，幾種算法綜合起來用于改進參數(shù)識別的靈敏度和提高解答過程的可靠度，靜力和動力響應被用來校準識別的置信度水平。
聯(lián)合靜動力的損傷識別通常需要進行有限元模型修正，因為有限元模型的誤差可能比損傷的變化要大，所以有限元模型必須先用測得的模態(tài)特性和試驗數(shù)據(jù)進行校準；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模態(tài)修正的結(jié)果才是可靠的。其他的方法包括統(tǒng)計損傷識別、神經(jīng)網(wǎng)絡識別方法、子結(jié)構(gòu)損傷識別、基于小波變換的損傷識別等等，但是目前大多只停留在實驗室簡單模型或數(shù)值模型，用于真正實橋的損傷識別和健康診斷還有很長的路要走。
