橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)新概念
2011-11-28 來源：建筑工程教育網(wǎng)
近年來,隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,交通運輸日漸繁忙,作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設(shè)計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。
對橋梁結(jié)構(gòu)進行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結(jié)構(gòu)的當前狀況有一個正確的認識。這就要求管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和智能化的自行評估的功能。
一、橋梁健康監(jiān)測新概念
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,為橋梁維護濰修與管理決策提供依據(jù)和指導。為此,監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進行監(jiān)控:
1、橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài);
2、橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài);
3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;
4、大橋所處環(huán)境條件;等等。
與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同,大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力,而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。
然而,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而,結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型,并且分析時常以很多假定條件為前提。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(shè)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(shè)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(shè)計中還存在很多未知和假定,超大跨度橋梁的設(shè)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。
二、健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
1、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計準則
顯然,監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面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(shè)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(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。
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(shè)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(shè)施。因此,功能要求和效益-成本分析是設(shè)計橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準則。
2、監(jiān)測項目
不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同。因此,對于大跨度余支承橋梁,須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位,以獲得較為詳細的結(jié)構(gòu)動力行為并驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計時的動力分析模型和響應預測。另外,在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。
目前,某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁問題研究的監(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(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看,以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進行深入研究或論證。
（1）抗風方面: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。
（2）抗震方面: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。
（3）結(jié)構(gòu)整體行為方面: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）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。
（5）耐久性問題: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）基礎(chǔ):大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)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(shè)計部門的需要。
三、橋梁健康監(jiān)測意義
1、監(jiān)控與評估
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)控與評估,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)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài);②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài);③結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;④工程所處環(huán)境條件等等。
2、設(shè)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,在大橋設(shè)計階段安全掌握和預測其力學特性和行為特性是非常困難的。因此,通過橋梁健康檢測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力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(shè)計理論和設(shè)計模型有驗證作用,而且有益于新的設(shè)計理論的形成。
3、研究與發(fā)展
橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計的反思,它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實驗室。由于運營中的橋梁結(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。
