淺談橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

歐陽(yáng)平

摘要：橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（對(duì)簡(jiǎn)稱：橋監(jiān)，下同）對(duì)于保障橋梁使用功能、安全運(yùn)行、延長(zhǎng)橋梁使用壽命、避免橋梁坍塌和局部破壞等嚴(yán)重事故發(fā)生有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點(diǎn),本文闡述了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；發(fā)展方向

1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念

交通是社會(huì)的經(jīng)濟(jì)命脈，橋梁是交通的咽喉,交通不暢會(huì)制約社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,所以保障橋梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至關(guān)重要。為保證橋梁安全運(yùn)行、避免嚴(yán)重事故發(fā)生，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)應(yīng)運(yùn)而生，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是以科學(xué)的監(jiān)測(cè)理論與方法為基礎(chǔ)，采用各種適宜的檢驗(yàn)、檢測(cè)手段獲取數(shù)據(jù)，為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、計(jì)算假定、結(jié)構(gòu)模型分析提供驗(yàn)證；對(duì)結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)和特性進(jìn)行分析，及早預(yù)見、發(fā)現(xiàn)和處理橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患和耐久性缺陷，診斷結(jié)構(gòu)突發(fā)和累計(jì)損傷發(fā)生位置與程度，并對(duì)發(fā)生后果的可能性進(jìn)行判斷與預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為橋梁在各種氣候、交通條件下和橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理措施提供依據(jù)，并通過(guò)及時(shí)采取措施達(dá)到防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長(zhǎng)橋梁的使用壽命的目的。

2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)內(nèi)容

數(shù)據(jù)采集與測(cè)量的內(nèi)容主要為：變形（沉降、位移、傾斜）、應(yīng)力、動(dòng)力特性、溫度、外觀檢測(cè)等。

2.1.1變形監(jiān)測(cè)采取適宜的測(cè)量手段，對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的沉降、位移、傾斜量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常用監(jiān)測(cè)變形的方法有：導(dǎo)線測(cè)量法、幾何水準(zhǔn)測(cè)量法、GPS測(cè)定三維位移量法、自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分測(cè)量法和自動(dòng)全站儀三維坐標(biāo)非接觸量測(cè)等。

2.1.2應(yīng)力監(jiān)測(cè)

橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化是由于主體結(jié)構(gòu)的外部條件和內(nèi)部狀態(tài)變化引起的。外部條件主要有動(dòng)荷載、氣候、侵蝕、撞擊和其他突發(fā)事件的作用等，而內(nèi)部狀態(tài)有混凝土的收縮徐變、溫度變化及預(yù)應(yīng)力損失等。應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以定量性地反映出橋梁主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力變化和性能變化情況。

2.1.3 動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼值及其分布有關(guān)，動(dòng)力監(jiān)測(cè)是在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的條件下進(jìn)行，主要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)由橋址處風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振引起的微小振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。檢測(cè)項(xiàng)目主要為：主體結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型等。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)方法主要有:固有頻率、應(yīng)變模態(tài)、模態(tài)置信度判據(jù)、柔度矩陣、小波分析、遺傳算法等。

2.1.4溫度監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)整橋溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，可以設(shè)法消除溫度變化對(duì)某些監(jiān)測(cè)過(guò)程或傳感器本身的測(cè)量精度的影響；可以了解橋梁結(jié)構(gòu)在某種溫度場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化等情況。

2.1.5 表觀檢測(cè)

表觀檢測(cè)的主要內(nèi)容為：橋梁混凝土裂縫、強(qiáng)度、碳化深度、外觀質(zhì)量檢測(cè)、鋼梁及金屬結(jié)構(gòu)外觀及腐蝕檢測(cè)及支座、橋面鋪裝、伸縮縫、錨端連接等部位、部件的損壞情況觀察等。

2.1.6 其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.1.6.1新方法、新儀器、新設(shè)備、新理論應(yīng)用監(jiān)測(cè)；

2.1.6.2 規(guī)范等改變導(dǎo)致橋梁使用等級(jí)改變的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)；

2.1.6.3 為獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而設(shè)置的傳感元器件和配備的儀表、設(shè)備、裝置的校準(zhǔn)性監(jiān)測(cè)等；

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸對(duì)于保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行有著重要意義，同時(shí)是獲取有效、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前提，要注重并做好以下幾項(xiàng)關(guān)鍵性工作：

2.2.1 數(shù)據(jù)采傳輸?shù)耐绞菢蛄航Y(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，是數(shù)據(jù)處理、分析和橋梁健康評(píng)估的基本前提條件。做到撓度、振動(dòng)等子系統(tǒng)各點(diǎn)采集的時(shí)間同步性尤為重要。

2.2.2 關(guān)于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備和傳輸鏈路的合理配置與優(yōu)化。影響數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備和傳輸鏈路可靠性的因素相當(dāng)復(fù)雜，必須研究設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)合理的配置和優(yōu)化。

2.2.3關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中單點(diǎn)故障問(wèn)題。系統(tǒng)需要具有單點(diǎn)故障不影響控制網(wǎng)絡(luò)其他部分的功能。

2.2.4 關(guān)于檢測(cè)系統(tǒng)自身故障的自檢與報(bào)警。系統(tǒng)能夠識(shí)別和檢查出傳感器故障、電流回路泄漏、對(duì)不可信信號(hào)電平的捕獲和子系統(tǒng)故障等，并能在系統(tǒng)主機(jī)上給出相應(yīng)的報(bào)警信息。

2.2.5 關(guān)于數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)的問(wèn)題。系統(tǒng)具有能夠?qū)λO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢、互檢和標(biāo)定的功能，是保障原始數(shù)據(jù)可靠性的重要手段。

2.2.6 關(guān)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問(wèn)題。通過(guò)因特網(wǎng)技術(shù)可以使橋梁管理者或橋梁專家在異地對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的新需求。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理和控制

數(shù)據(jù)分析處理與控制是指對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、整理、加工、存貯及傳播等一系列活動(dòng)的總和。它的基本環(huán)節(jié)是進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織、存貯、檢查和維護(hù)等工作。這些工作是數(shù)據(jù)處理的中心問(wèn)題，一般稱之為數(shù)據(jù)管理。二十世紀(jì)六、七十年代以來(lái)，數(shù)據(jù)管理技術(shù)提高到了數(shù)據(jù)庫(kù)階段，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的管理統(tǒng)一的由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)完成。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的目標(biāo)是：解決數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；并解決由于數(shù)據(jù)共享而帶來(lái)的數(shù)據(jù)完整性、安全性及并發(fā)控制等一系列問(wèn)題。

3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估主要有三個(gè)方面：承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)和耐久能力。承載能力是有關(guān)大橋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性能等，其評(píng)估目的是要找出大橋結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備，以避免橋梁發(fā)生災(zāi)難性的損毀。營(yíng)運(yùn)狀態(tài)評(píng)估與橋梁結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件在日常荷載工作下的變形、裂縫、振動(dòng)等有關(guān)，其評(píng)估結(jié)果有助于合理安排養(yǎng)護(hù)維修。耐久能力的評(píng)估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對(duì)材料物理特性的影響。

目前的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在著監(jiān)測(cè)項(xiàng)目種類不足和個(gè)別項(xiàng)目的規(guī)模又過(guò)于龐大的情況。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理方面，沒(méi)有一個(gè)較為完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得不到妥善的處理與利用。并且，現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)大多屬于單一的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或者是單一的管理系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)綜合評(píng)估系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)階段予以提前考慮并做出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)有著十分重要的積極意義：設(shè)計(jì)人員可依據(jù)橋型設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、四新技術(shù)的應(yīng)用等方面采用適宜的監(jiān)測(cè)理論、方法與手段，做出符合橋梁特點(diǎn)和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與橋梁設(shè)計(jì)同時(shí)形成可及時(shí)、妥善地將相關(guān)監(jiān)測(cè)軟、硬件在施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程予以配備與設(shè)置，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)備與運(yùn)行工作做的更加充分與科學(xué)。

我國(guó)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)尚處初期階段，隨著橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作的深入開展，在遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)、提高系統(tǒng)可靠性、完善數(shù)據(jù)處理和分析理論等方面還需要提高和完善，目前尚無(wú)現(xiàn)成的性能和數(shù)據(jù)評(píng)估方面的規(guī)范，因此探索并形成穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、明確各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、科學(xué)獲取與處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、形成監(jiān)測(cè)規(guī)范等工作是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)今后的發(fā)展與努力方向。