橋梁健康監(jiān)測策略分析與框架設(shè)計

劉興鳳 邊文同

[摘要]本文就健康監(jiān)測策略分析與框架設(shè)計進行了闡述,針對不同需求,梳理了三套橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的框架,并提出了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的原則和系統(tǒng)設(shè)計步驟建議,可供橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計人員參考。

[關(guān)鍵詞]橋梁 健康監(jiān)測 策略分析

1 引言

目前我國土木工程事故頻繁發(fā)生,如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等,造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失,已經(jīng)引起人們對于重大工程安全性的關(guān)心和重視。另外,我國有一大部分橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施都是在五六十年代建造的,經(jīng)過這么多年的使用,他們的安全性能如何?是否對人民的生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅?這些都是亟待回答的問題。近些年,地震、洪水、暴風等自然災害也對這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷;還有一些人為的爆炸等破壞性行為,如美國世貿(mào)大樓倒塌對周圍建筑物的影響。這些越來越引起人們的密切關(guān)注。如果能在災難到來之前對其預測,進行評估,以趨利避害已成為人們關(guān)注的焦點。因此,對結(jié)構(gòu)性能進行監(jiān)測,及時地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷,對可能出現(xiàn)的災害進行預測,評估其安全性已經(jīng)成為未來工程的必然要求,也是土木工程學科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域,本文就此內(nèi)容進行簡要探討。

2 健康監(jiān)測策略分析

雖然目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究遇到了一些困難和障礙,但是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和應用的重大價值和意義無論怎么強調(diào)都不為過,它是生命線工程防災減災的有效手段。

然而,應清醒地認識到,橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不是萬能的,尤其是限于目前的研究和應用水平。由于缺乏有效的損傷識別和狀態(tài)評估的理論算法,使得橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不能進行有效的健康診斷。關(guān)于健康監(jiān)測系統(tǒng)的健康診斷問題,本文提出以下兩個觀點:

(1)目前健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方面比較現(xiàn)實也是能夠做到的是:在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝的初期,結(jié)構(gòu)一般是處在健康狀態(tài)的(現(xiàn)階段未發(fā)現(xiàn)異常),通過長期一段時間的監(jiān)測,可以得到不同時間序列內(nèi)的橋梁在各種環(huán)境下的各力學參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)代表了橋梁的健康狀態(tài)。將這些大量的數(shù)據(jù)樣本按某種映射關(guān)系投射到一個“超球體”內(nèi),則超球體的表面就是橋梁健康與否的分界面。

(2)在橋梁健康預警方面,可行的做法是:據(jù)橋梁特點和材料強度,設(shè)定位移監(jiān)測和應力監(jiān)的闡值,一旦監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過閥值,則報警。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計

本文根據(jù)現(xiàn)有的研究和應用,將健康監(jiān)測系統(tǒng)分三個等級,即長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)、定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)和定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)。長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)是最高等級的健監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)適合于在特大跨徑復雜橋梁結(jié)構(gòu)和具有重大戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵橋梁上使用。該等級橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有如下的特點:傳感器長期設(shè)在橋梁上,并通過相應技術(shù)連接在一起,構(gòu)成感器子系統(tǒng)。各傳感器的數(shù)據(jù)采集通過健康監(jiān)測統(tǒng)中心控制系統(tǒng)動態(tài)實時的下達采集指令,觸發(fā)感器的開關(guān),實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)直接自動進入健康監(jiān)測中央數(shù)據(jù)。橋梁管理部門和客戶可以通過Iniemet網(wǎng)絡遠訪問中央數(shù)據(jù)庫并進行健康診斷。

定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)是長期在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的一種簡化,最大的區(qū)別是定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)省掉了數(shù)據(jù)的自動采集設(shè)備和軟件,無需大量的數(shù)據(jù)線并避免了數(shù)據(jù)的長距離傳輸帶來的數(shù)據(jù)精度的損失。

定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)適合于一般橋梁和對整個路線沿線的所有橋梁的健康監(jiān)測,該系統(tǒng)的功能和性質(zhì)接近于一般橋梁的養(yǎng)護管理,可以這樣描述:橋梁管理部門購置相應的橋梁檢測設(shè)備,包括傳感器及其相應的數(shù)據(jù)采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設(shè)備都存放于實驗室,不長期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設(shè)備對所轄橋梁進行健康檢測。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可以監(jiān)測多個橋梁的健康狀況,同時設(shè)備容易維護、更換和更新。

4 設(shè)計準則

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是實施橋梁健康監(jiān)測的第一步。目前關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的標準、原則還沒有統(tǒng)一的說法。本文結(jié)合國內(nèi)外已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點,探討橋梁健康設(shè)計的一些原則。

從已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中可以看出,這些橋梁健康監(jiān)測的測點布置的數(shù)量、監(jiān)測項目有很大差異。這種差異一方面來自于橋梁結(jié)構(gòu)形式和所處地理環(huán)境的差異,另一方面來自于各健康監(jiān)測設(shè)計的目的和投資額度的不同。本文認為,橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要遵循“因橋而異、因橋制宜、經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區(qū)、不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的健康監(jiān)測的內(nèi)容是不一樣的。不同地區(qū)的氣候、地質(zhì)環(huán)境會有很大差別,橋梁健康監(jiān)測的一部分內(nèi)容就包括對橋址處環(huán)境的監(jiān)測,比如風、地震、溫度等。

經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施費用是昂貴的,因此,投資額是制約橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)備的重要因素。健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應作效益一成本分析,設(shè)計出經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

基于以上分析,建議在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時遵循以下步驟:

(l)針對具體橋梁,確定監(jiān)測系統(tǒng)的目的和功能。

(2)分析橋梁的結(jié)構(gòu)特點、環(huán)境狀況、運營情況,確定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目。

(3)建立橋梁有限元模型進行結(jié)構(gòu)靜動力分析,確定應力相對不利的位置及動力分析結(jié)果,結(jié)合工程經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)特點及測點優(yōu)化理論綜合確定測點布置方案。

(4)結(jié)合投資額度,廣泛調(diào)研現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展,確定各監(jiān)測項目傳感器的選型。

5 結(jié)語

本章主要就健康監(jiān)測策略分析與框架設(shè)計進行了闡述。針對不同需求,梳理了三套橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的框架,以供橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計者和橋梁管理部門選用?？偨Y(jié)并提出了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的原則和系統(tǒng)設(shè)計步驟建議,可供橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計人員參考。

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