公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

李自華

(河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000)

1 我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

國外自20世紀(jì)80年代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)被提出以來，先后在數(shù)十座橋梁上安設(shè)了用于運營安全監(jiān)測目的的健康監(jiān)測系統(tǒng)。我國已約有40余座橋梁安裝了或即將安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中多數(shù)系統(tǒng)是2000年以后建成的。國內(nèi)橋梁初期安裝的監(jiān)測系統(tǒng)多是傳感器為數(shù)不多的簡單系統(tǒng)，其中一些系統(tǒng)經(jīng)過幾年的運行后根據(jù)橋梁管理部門的要求進(jìn)行了升級。近年來，新建橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實施越來越趨于規(guī)范化，幾乎所有的大跨度橋梁都安裝了或考慮安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。目前的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是強(qiáng)監(jiān)測弱診斷，為了進(jìn)一步實現(xiàn)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的，迫切需要加強(qiáng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和健康診斷的研究，尤其是要開展在線化、連續(xù)化、自動化的自診斷技術(shù)。

進(jìn)行健康診斷和安全預(yù)警，一般的思路是，先定義反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和損傷的特征指標(biāo)，然后建立從健康監(jiān)測原始數(shù)據(jù)中識別或者計算這些指標(biāo)的方法，同時通過對結(jié)構(gòu)行為的分析，并且結(jié)合專家經(jīng)驗，對這些指標(biāo)的取值空間進(jìn)行預(yù)先的人為劃分，得到簡單的指標(biāo)閥值體系，然后，從監(jiān)測數(shù)據(jù)中計算指標(biāo)值與此閥值體系進(jìn)行簡單的對比，從而實現(xiàn)對健康監(jiān)測狀態(tài)的診斷以及安全預(yù)警。

2 主要相關(guān)研究方向的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2．1 硬件技術(shù)

從監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要素構(gòu)成上來看，現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀如下:

1)采集系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀。

監(jiān)測采集設(shè)備均永久性安置在橋梁箱梁、橋塔或附屬構(gòu)筑屋內(nèi)。采集儀器已經(jīng)采用基于現(xiàn)代最新的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的采集計算機(jī)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的其他計算機(jī)儀器構(gòu)成局域網(wǎng)，通過TC/TIP通訊協(xié)議或其他高級協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。采集儀器之間做到了很嚴(yán)格的時間同步。

2)傳感器技術(shù)現(xiàn)狀。

目前的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)采用的傳感器分為以下幾種:a．應(yīng)變監(jiān)測，采用精度高準(zhǔn)分布式的光纖布拉格光柵傳感器，不僅實現(xiàn)了對靜態(tài)應(yīng)變的測量，而且實現(xiàn)了動態(tài)應(yīng)變的連續(xù)實時測量，其測量精度已經(jīng)達(dá)到0．1微應(yīng)變;b．加速度，采用適于土木結(jié)構(gòu)的超低頻加速度計，如力平衡式加速度計，在低頻段已經(jīng)表現(xiàn)很好;還有就是位移計，用于測量支座、伸縮縫等處位移，已經(jīng)可以達(dá)到1 mm的測量精度;GPS用于測量人力無法觸及的部位的變位，如塔頂、跨中撓度，目前國外的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到1/3 cm的測量精度。

2．2 數(shù)據(jù)處理、分析、解釋與應(yīng)用——評估預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

目前，代表第三代橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的東海大橋采用基于節(jié)點模糊推理機(jī)制的層次分析法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時在線統(tǒng)計處理、部分指標(biāo)的在線抽取計算，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基于關(guān)鍵指標(biāo)閥值對比法的簡單預(yù)警技術(shù)和基于模式識別理論的極端荷載識別的綜合預(yù)警技術(shù)，并實現(xiàn)了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工檢測數(shù)據(jù)相結(jié)合的橋梁的在線評估系統(tǒng)，還針對監(jiān)測內(nèi)容，設(shè)計了離線評估預(yù)案。現(xiàn)有的這些成就還需要進(jìn)一步的深化研究，需要探索新的指標(biāo)，完善已有指標(biāo)體系，探索新的基于可靠性的評估理論、基于概率的預(yù)警理論等，繼續(xù)應(yīng)用如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理、基因算法等軟計算方法，實現(xiàn)指標(biāo)的實時抽取計算、綜合評估計算等高級計算。還需要發(fā)展智能化的模型修正理論，實現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)適時修正技術(shù)，從而全面了解結(jié)構(gòu)內(nèi)力剛度、質(zhì)量、阻尼退化情況，了解結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布情況，為全面科學(xué)地評估橋梁技術(shù)狀況奠定基礎(chǔ)。

目前的研究認(rèn)為，對于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與評估，通常體現(xiàn)在模態(tài)參數(shù)識別及其應(yīng)用上。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別是近年來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵研究問題之一。模態(tài)參數(shù)不僅被用來表征結(jié)構(gòu)整體性能的狀態(tài)指標(biāo)，還被嘗試用作結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，并被用作結(jié)構(gòu)模型修正的目標(biāo)參量。以結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，可以衍生出系列關(guān)于結(jié)構(gòu)整體性能或局部損傷的指標(biāo)，這些指標(biāo)可以構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的指標(biāo)體系。另外，還有其他基于振動監(jiān)測量的指標(biāo)，如從振動響應(yīng)的幅值時域、頻域及時域用現(xiàn)代信號處理方法或統(tǒng)計信號處理方法抽取出的系列指標(biāo)。對于一個復(fù)雜的大型土木工程結(jié)構(gòu)，單憑其中任何一個指標(biāo)，都無法全面地反映結(jié)構(gòu)的整體性能，也難以做到對局部損傷情況的識別。必須對這些指標(biāo)進(jìn)行組合使用，進(jìn)行指標(biāo)層次的信息融合，使各指標(biāo)反映的信息向一個方向疊加，才有可能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

對于結(jié)構(gòu)運營期的安全預(yù)警，目前通行的做法是和健康狀態(tài)評估區(qū)分開來，主要目的是實現(xiàn)對小概率的突發(fā)性事件(如船撞、地震、臺風(fēng)等)發(fā)生時橋梁安全性及使用性的監(jiān)控，同時還對超速超載情況進(jìn)行監(jiān)控。因此，預(yù)警指標(biāo)體系可以由基于加速度幅值的防車船撞預(yù)警指標(biāo)、地震時結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警指標(biāo)以及基于應(yīng)變幅值的超載報警指標(biāo)等構(gòu)成。

3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程

可以將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)分為兩類，一類是獨立集成的監(jiān)測系統(tǒng)，特點是測點多，投入大，適合于復(fù)雜大跨橋梁。另一類分布式區(qū)域集中式橋梁網(wǎng)是中小橋，如在京秦高速公路橋梁上的健康監(jiān)測嘗試，只是在選擇出的關(guān)鍵公路橋梁上有針對性地布置數(shù)十個傳感器，定期攜帶采集設(shè)備對橋梁進(jìn)行持續(xù)一定時間的數(shù)據(jù)采集。雖然單個橋上測點比較少，但橋梁眾多，每座橋上配置一套采集系統(tǒng)及監(jiān)控計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的話顯然過于浪費，因此，采用區(qū)域集中監(jiān)控方式比較合算。

對獨立集成的監(jiān)測系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)外已有的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)多屬于此類?？梢詫⑺鼈兇笾聞澐譃槿?第一代為早期單項監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類有限，采集設(shè)備不安裝，間歇性監(jiān)測。第二代為集成監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類大大豐富，采集系統(tǒng)完善，連續(xù)采集，有數(shù)據(jù)庫管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。第三代為集成監(jiān)測診斷系統(tǒng)，在第二代的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)對數(shù)據(jù)的處理，并利用數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的在線評估、在線預(yù)警，并為深入地離線評估提供便利;功能更加豐富，無線、internet等技術(shù)被用于系統(tǒng)之中;結(jié)合檢測和監(jiān)測，綜合系統(tǒng)。目前國內(nèi)外多數(shù)系統(tǒng)屬于第一到二代;而東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)屬于第三代的最早期代表。

第四代的獨立集成的監(jiān)測系統(tǒng)尚處于概念之中，可以稱之為智能化橋梁健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，主要的特征是，采用具有特征抽取計算能力和身份辨識的智能型傳感器和主動型傳感器構(gòu)成信息源，采用有線和無線混合型組網(wǎng)技術(shù);系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化和智能化;中央處理中心將免于負(fù)擔(dān)低層例行性的數(shù)據(jù)處理計算負(fù)荷，只需專注于邏輯型計算、力學(xué)層次的分析計算，實現(xiàn)智能化的在線的健康狀態(tài)評估及安全預(yù)警功能。這些概念的實現(xiàn)，需要大量的前期研究投入。

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