橋梁運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施現(xiàn)狀與應(yīng)用研究進(jìn)展

王偉寧

(華鐵工程咨詢有限責(zé)任公司,北京 100055)

1 概述

近幾十年來(lái),由于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段不足等原因,導(dǎo)致世界范圍內(nèi)橋梁災(zāi)難性事故的頻發(fā)。其中世界上最具代表性的有：美國(guó)的Tokoma懸索橋、英國(guó)的Yuys-ygwas拱橋、韓國(guó)漢城中央大橋等,這些災(zāi)難性事故造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡,社會(huì)影響極大。因此,如何對(duì)已投入運(yùn)營(yíng)的為國(guó)計(jì)民生服務(wù)的橋梁安全使用狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控,確保人民生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全,是當(dāng)今橋梁界應(yīng)用和研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

伴隨著美國(guó)“數(shù)字化地球、數(shù)字化國(guó)家以及數(shù)字化城市”理念的誕生,歐、美、日等技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家在核心的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施(如大壩、核電站、橋梁、石油管道、高層建筑等大型構(gòu)造物)上,利用飛速發(fā)展的信息化技術(shù)建立了高效的監(jiān)管平臺(tái),服務(wù)于社會(huì)。就國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀而言,相對(duì)大壩等領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)大型橋梁信息化、數(shù)字化監(jiān)管技術(shù),作為21世紀(jì)新興的橋梁技術(shù)研究延伸探索領(lǐng)域,只是處于一種萌芽狀態(tài),經(jīng)驗(yàn)尚不足。而國(guó)內(nèi)原有橋梁常規(guī)的監(jiān)管方式和手段已被這些年來(lái)的實(shí)踐證明是落后的,不能較好地滿足現(xiàn)代化大型橋梁管養(yǎng)的實(shí)際需求。諸如四川小南門橋、重慶綦江彩虹橋、遼寧盤錦大橋、江蘇武進(jìn)橋的坍塌,海印大橋、濟(jì)南黃河橋、珠海淇澳大橋的拉索銹蝕突發(fā)斷裂等一系列橋梁災(zāi)害,正是因?yàn)椤爸唤ú火B(yǎng)或養(yǎng)護(hù)管理不到位、不得法”現(xiàn)狀的真實(shí)印證,造成很大的資源浪費(fèi)和不良的社會(huì)效應(yīng)。因此,在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天,利用日益發(fā)展的橋梁計(jì)算分析技術(shù)、信息技術(shù)以及損傷分析識(shí)別等綜合技術(shù),為橋梁結(jié)構(gòu)建立運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),科學(xué)管養(yǎng)、掌控橋梁的安全使用狀態(tài),避免災(zāi)難性事故的發(fā)生,顯得愈加迫切與必要。

2 現(xiàn)行制度規(guī)范的要求和發(fā)展

鑒于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)已在世界上得到廣泛應(yīng)用,國(guó)際橋梁協(xié)會(huì)于2003年7月在瑞士決定制訂有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的國(guó)際規(guī)程,以指導(dǎo)和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)在各國(guó)的應(yīng)用。很多研究者正致力于研究并制定橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南和規(guī)范,如：Lauzon[1]等提出了一個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議；美國(guó)Dexrel大學(xué)的Aktan教授[2～3]等制定了比較詳細(xì)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南；加拿大ISIS組織的主席Mufti教授[4]也主持起草了一份結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指南。最近,英國(guó)的研究者制定了一個(gè)指導(dǎo)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指南。受國(guó)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作委員會(huì)委托,香港理工大學(xué)以高贊明教授為首的課題組也正致力于研究制定專門用于大跨索橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南,哈爾濱工業(yè)大學(xué)以歐進(jìn)萍院士為代表的團(tuán)隊(duì)也正在努力進(jìn)行這方面的工作。

橋梁的安全監(jiān)測(cè)規(guī)范目前正處于交通部研究制定的過(guò)程中,在2007年交通部發(fā)布的《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》(交公路發(fā)[2007]336號(hào))中已經(jīng)明確提出了需要對(duì)特大橋梁進(jìn)行運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)測(cè)的要求。如“第四章 橋梁檢查與評(píng)定第二十四條”明確:“特大橋、特殊結(jié)構(gòu)橋梁和單孔跨徑60 m及以上大橋的檢測(cè)評(píng)定工作應(yīng)符合以下規(guī)定：…(三)對(duì)特別重要的特大橋,應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?！?；“第六章 技術(shù)檔案管理第三十二條”規(guī)定:“橋梁管養(yǎng)單位和監(jiān)管單位應(yīng)建立健全公路橋梁技術(shù)檔案管理制度,大力推廣應(yīng)用公路橋梁管理系統(tǒng),及時(shí)更新橋梁技術(shù)數(shù)據(jù),保證公路橋梁技術(shù)檔案真實(shí)完整,實(shí)現(xiàn)電子化管理。特別重要的特大型橋梁應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的電子檔案管理系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)?！?/p>

在2009年浙江省交通廳發(fā)布的《浙江省公路橋梁養(yǎng)護(hù)與管理辦法》(浙交[2009]96號(hào))文件的“第九章 技術(shù)與檔案管理”中提出：“第五十五條 公路橋梁監(jiān)管單位和管養(yǎng)單位應(yīng)建立健全公路橋梁技術(shù)檔案管理制度,應(yīng)用公路橋梁管理系統(tǒng),及時(shí)更新橋梁技術(shù)數(shù)據(jù),保證公路橋梁技術(shù)檔案真實(shí)完整,逐步實(shí)現(xiàn)電子化管理。”；“第五十六條 特別重要的特大型公路橋梁應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和安全預(yù)警系統(tǒng),逐步提高利用信息化手段對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)管的能力?！?/p>

《國(guó)家地震監(jiān)測(cè)管理?xiàng)l例》等相關(guān)部門對(duì)大跨徑橋梁運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都提出了明確的要求。2009年,貴州建設(shè)單位為壩陵河大橋運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)制定了專項(xiàng)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),成為國(guó)內(nèi)首個(gè)大橋運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專項(xiàng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

3 監(jiān)測(cè)意義、依據(jù)及內(nèi)容

橋梁運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)的意義主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論并指導(dǎo)后續(xù)同類橋梁的設(shè)計(jì)。如香港理工大學(xué)建立了風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)及其對(duì)青馬大橋的影響,通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為可以適當(dāng)放寬抗風(fēng)要求,該結(jié)論直接指導(dǎo)了昂船洲大橋的設(shè)計(jì),使昂船洲大橋的關(guān)于風(fēng)荷載的考慮更加明確、真實(shí)；中鐵大橋局武漢橋科院在位于西部山區(qū)峽谷的貴州壩陵河大橋(中國(guó)最大跨度鋼桁懸索橋)上同樣布設(shè)了風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將直接指導(dǎo)山區(qū)大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)；二是對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的狀態(tài)(含地震等特殊事件)實(shí)施監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警評(píng)估,如武漢橋科院在陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋、貴州壩陵河大橋上對(duì)地震后的狀況進(jìn)行快速評(píng)估；三是指導(dǎo)實(shí)施科學(xué)的管養(yǎng)維護(hù)服務(wù),如青馬橋在支座失效后,利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析PTFE支座失效原因,評(píng)估更換PTFE支座時(shí),對(duì)橋身鋼結(jié)構(gòu)和鐵路伸縮縫的影響。

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載能力和極限狀態(tài)相關(guān)。我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)明確了公路橋涵應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)(Ultimate Limite State或ULS)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)(Service Limite State或SLS),故應(yīng)將兩種極限狀態(tài)作為橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作的法理依據(jù)。

正常使用極限狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件在SLS荷載作用或卸載后,不會(huì)產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)損傷,我們稱之為健康構(gòu)件。但當(dāng)荷載超過(guò)SLS指標(biāo)時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件有可能產(chǎn)生損傷。因此,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可定義為用傳感器或相關(guān)設(shè)備去監(jiān)測(cè)主要構(gòu)件在SLS荷載作用下的位移和應(yīng)力等分布狀態(tài)；而結(jié)構(gòu)安全評(píng)估則定義為應(yīng)用測(cè)量數(shù)據(jù)和分析工具去評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件在其服役期內(nèi),達(dá)到或超越SLS荷載指標(biāo)時(shí),是否會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。相應(yīng)地,傳感器和其相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)在SLS的變化幅度之內(nèi),而ULS荷載指標(biāo)則用于結(jié)構(gòu)安全評(píng)估時(shí)作為構(gòu)件的損傷或失效狀況的參考指標(biāo)[5]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)應(yīng)反映大橋的實(shí)時(shí)整體結(jié)構(gòu)健康狀況,由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)只限于監(jiān)測(cè)大橋各主要構(gòu)件在SLS荷載下的位移和應(yīng)力分布狀況,則結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估的運(yùn)營(yíng)策略可以分為3種運(yùn)營(yíng)或預(yù)警狀況。在此以構(gòu)件應(yīng)力為控制指標(biāo)加以說(shuō)明,則3種狀況如表1所示,其中σm為監(jiān)測(cè)應(yīng)力結(jié)果,σSLS為正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力指標(biāo)。

表1 運(yùn)營(yíng)策略

大跨度橋梁所需要的監(jiān)測(cè)的物理變量一般可以分為4個(gè)類別,即：環(huán)境荷載、運(yùn)營(yíng)荷載、橋梁特征以及橋梁響應(yīng)。環(huán)境荷載是指強(qiáng)風(fēng)、溫度、地震、腐蝕以及沖刷等；運(yùn)營(yíng)荷載是指公路、鐵路以及船舶撞擊等日常的交通運(yùn)營(yíng)荷載；橋梁特征是指橋梁的靜態(tài)特征(如靜力影響系數(shù)及影響線等)和動(dòng)態(tài)特征(如模態(tài)頻率、振動(dòng)模態(tài)、模態(tài)阻尼比以及模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)等)；橋梁響應(yīng)是指幾何變形、應(yīng)力狀況、位移狀況、索力、疲勞狀況、連接件受力以及振動(dòng)響應(yīng)等。在測(cè)試中傳感器的選取是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),選擇的傳感器需滿足：(1)量程足夠、精度高、耐久性好；(2)動(dòng)態(tài)測(cè)試傳感器的有效頻帶范圍應(yīng)包含橋梁的振動(dòng)信號(hào)；(3)傳感器的靈敏度足夠高；(4)符合物理量類型的要求,盡量不要通過(guò)積分來(lái)得到所需物理量的值,避免因此產(chǎn)生不必要的算術(shù)誤差。圖1～圖3舉例說(shuō)明幾個(gè)常見物理量的表達(dá)方式,以供參考。

圖1 朝天門大橋橋面溫度監(jiān)測(cè)

圖2 陽(yáng)邏大橋汶川地震監(jiān)測(cè)

圖3 壩陵河大橋關(guān)嶺地震后評(píng)估

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估的運(yùn)營(yíng)策略以及規(guī)范相關(guān)規(guī)定制定,常規(guī)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目則如表2所示。

4 發(fā)展與展望

美國(guó)在20世紀(jì)80年代中后期,開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器,如佛羅里達(dá)州的Sunshine Skyway斜拉橋安裝了500多個(gè)各類傳感器,用來(lái)測(cè)量橋梁建設(shè)過(guò)程中和建成后橋梁的溫度、應(yīng)變及位移。英國(guó)在20世紀(jì)80年代后期,開始研制和安裝大型橋梁的檢測(cè)儀器和設(shè)備,研究和比較了多種長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案,并在愛(ài)爾蘭Foyle鋼箱梁橋安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括主梁撓度、氣象數(shù)據(jù)、溫度、應(yīng)變等,試圖探索一套有效的、可廣泛應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。希臘的Halkis橋于1994年安裝了有48個(gè)通道的振動(dòng)加速度傳感器的測(cè)振系統(tǒng)。丹麥曾對(duì)總長(zhǎng)1 726 m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測(cè)；在大帶橋(Great Belt Bridge)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,安裝了近200個(gè)各類傳感器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的溫度分布、結(jié)構(gòu)沉降、位移、振動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。英國(guó)的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋、美國(guó)的Benicia-Martinez鋼桁架橋、挪威的Skarmsundet斜拉橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、加拿大的Confederation連續(xù)鋼構(gòu)橋等也安裝了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在亞洲,日本的明石海峽大橋、瀨戶內(nèi)海大橋、柜石島橋主要安裝了風(fēng)速儀、加速度傳感器、位移計(jì)等,對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的氣候環(huán)境、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表2 橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

我國(guó)國(guó)內(nèi)目前已在包括江陰長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江二橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、鄭州黃河大橋、錢江四橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋、陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋、貴州壩陵河大橋、杭州灣跨海大橋、深圳西部通道等眾多橋梁在內(nèi)的大跨徑橋梁上建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外,中國(guó)香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上已安裝了目前世界上規(guī)模最大的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),3座橋梁共安裝了800多個(gè)各類傳感器,對(duì)橋梁在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)狀況、環(huán)境狀況進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。而包含大約1 271個(gè)各類傳感器的昂船洲大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是世界上最具規(guī)模的大橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn),大量的研究成果紛紛涌現(xiàn),大量研究論文公開發(fā)表,其內(nèi)容包括智能傳感器、傳感器的優(yōu)化布置、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、損傷識(shí)別方法、橋梁狀態(tài)評(píng)估、橋梁生命周期管理養(yǎng)護(hù)等。目前,橋梁安全性評(píng)估方法所采用的理論主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。

另外,召開了眾多以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)為主題的國(guó)際性會(huì)議,如：國(guó)際健康監(jiān)測(cè)研討會(huì),歐洲健康監(jiān)測(cè)研討會(huì),新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研討會(huì)及智能結(jié)構(gòu)和健康監(jiān)測(cè)會(huì)議。還有國(guó)際模態(tài)會(huì)議、SPIE年會(huì)、歐洲智能結(jié)構(gòu)和材料會(huì)議、國(guó)際結(jié)構(gòu)控制會(huì)議等,也都有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別的專題。從1997年開始,在Stanford大學(xué)召開每?jī)赡暌粚玫膰?guó)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)會(huì)議；2002年,意大利國(guó)際結(jié)構(gòu)控制協(xié)會(huì)更名為國(guó)際結(jié)構(gòu)控制與健康監(jiān)測(cè)協(xié)會(huì)；2003年,第一屆國(guó)際智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議在日本東京召開,并成立了相應(yīng)的學(xué)術(shù)組織；另外,美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)也成立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與控制分會(huì),展開各種學(xué)術(shù)交流。我國(guó)自20世紀(jì)90年代中期開始橋梁健康監(jiān)測(cè)方向的研究,并且在國(guó)家科委、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的多個(gè)項(xiàng)目的支持下,在大型橋梁結(jié)構(gòu)病害調(diào)查、傳感器最優(yōu)布點(diǎn)、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、系統(tǒng)識(shí)別、結(jié)構(gòu)剩余可靠度評(píng)定、橋梁結(jié)構(gòu)理論模型修正以及斜拉橋結(jié)構(gòu)環(huán)境變異性等方面開展了深入的研究。全國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研討會(huì)于2005年9月21日～22日在南京召開。第三屆中日美三國(guó)結(jié)構(gòu)控制和健康監(jiān)測(cè)會(huì)議暨第四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)控制會(huì)議于2005年10月14日～15日在大連理工大學(xué)召開。第二屆國(guó)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)會(huì)議于2005年11月16日～18日在深圳召開。第四屆中日美結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)結(jié)構(gòu)控制年會(huì)于2006年10月16日、17日在浙江大學(xué)舉行。

大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)技術(shù)研究目前仍然處于探索階段,需要多學(xué)科的進(jìn)一步交叉與發(fā)展,基本實(shí)現(xiàn)大型橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),并達(dá)到自動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、不妨礙交通的要求,尚有許多問(wèn)題有待研究。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)技術(shù)的最終成功應(yīng)用,必將促進(jìn)結(jié)構(gòu)安全(對(duì)地震,強(qiáng)風(fēng)等強(qiáng)烈自然災(zāi)害后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行快速和有效的評(píng)估,為維修決策提供依據(jù)),延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命(提早發(fā)現(xiàn)不定時(shí)的損傷累積,為有效遏制事態(tài)嚴(yán)重化提供保障)和科學(xué)探索(揭示結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以驗(yàn)證現(xiàn)有橋梁理論)等方面產(chǎn)生重大的技術(shù)變革。

[1] Lauzon, R.G. (1995), Connecticut’s past experience and future plans for instrumentation of highway bridges, Proc. North Am. Workshop on Instrumentation and Vibration Anal[R]. Of Hwy Bridges, UCII’95.

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