淺議橋梁健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展

禹鵬 趙劍

摘要：橋梁健康監(jiān)測(cè)的理念起源于20世紀(jì)50年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷更新和進(jìn)步，從原初的單一人工幾何形態(tài)測(cè)量到當(dāng)前先進(jìn)的各種參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、健康狀態(tài)的自動(dòng)評(píng)估，健康監(jiān)測(cè)逐步進(jìn)行著智能化的轉(zhuǎn)變，功能目標(biāo)不斷擴(kuò)大和完善，可以預(yù)見，這種技術(shù)會(huì)改變當(dāng)前的橋梁管養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測(cè)；橋梁工程；智能化

0 前言

橋梁健康監(jiān)測(cè)的概念起步于20世紀(jì)50年代，受限于該時(shí)期落后的科學(xué)技術(shù)條件，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期變形、基礎(chǔ)沉降變位等幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)，這是健康監(jiān)測(cè)最基本的內(nèi)容，當(dāng)然也是很單一的，其技術(shù)手段以人工測(cè)量為主。二戰(zhàn)以后導(dǎo)彈火箭的建造與航空航天的發(fā)展引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)的潮流，電子計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)蓬勃發(fā)展。西方國(guó)家戰(zhàn)后的二三十年進(jìn)行了大規(guī)模的土木工程建設(shè)，也是在這個(gè)時(shí)期部分壽命已長(zhǎng)達(dá)幾十年的橋梁產(chǎn)生病變并不斷引發(fā)災(zāi)難，如1967年美國(guó)銀橋倒塌，引發(fā)行業(yè)巨大反思。橋梁發(fā)展的現(xiàn)狀迫切需要結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測(cè)以進(jìn)行橋梁狀況判斷從而進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)并確保安全，健康監(jiān)測(cè)觀念早已有之，又有來自尖端領(lǐng)域的借鑒以及基礎(chǔ)技術(shù)的積累，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遂進(jìn)入橋梁工程，國(guó)外土木工程實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)始于20世紀(jì)70年代末。我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較晚，但經(jīng)過20余年的學(xué)習(xí)與追趕，跟蹤與提高，各類特大型橋梁遍布全國(guó)各地，成就之巨大令國(guó)外同行難以置信[1]，我國(guó)的健康監(jiān)測(cè)就是在這樣的情形下開始于20世紀(jì)90年代中期的，當(dāng)前，我國(guó)已有超過200座大型橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。2013年3月1日中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布的《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》開始實(shí)施，有助于該技術(shù)在我國(guó)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

1 健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段

目前，健康監(jiān)測(cè)各種參數(shù)的采集均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如結(jié)構(gòu)變形及位移是與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，反映結(jié)構(gòu)整體性能的重要參數(shù)，在參數(shù)獲取上可采用全站儀、激光位移計(jì)、GPS，連通管、電子傾角儀等。應(yīng)力反映關(guān)鍵截面的受力狀況，應(yīng)力水平關(guān)系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，強(qiáng)度與安全，應(yīng)力的監(jiān)測(cè)采用鋼弦應(yīng)變計(jì)或光纖應(yīng)變計(jì)。風(fēng)速儀、溫度濕度儀、電子稱等廣泛用于橋梁環(huán)境因素及車輛荷載的監(jiān)測(cè)。傳感領(lǐng)域中光纖、激光、GPS、聲波、壓電等各種全天候、高穩(wěn)定的新型信息獲取手段正在不斷發(fā)展完善?；陔娦啪W(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使得橋梁管理人員遠(yuǎn)在千里之外即可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況了如指掌。深刻地改變了橋梁設(shè)施傳統(tǒng)的有人值守的管養(yǎng)模式。

2 安全評(píng)估技術(shù)

橋梁的安全評(píng)價(jià)技術(shù)方面，結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別方面均已有了廣泛的研究。如研究利用結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力相應(yīng)的歷史記錄，建立橋梁結(jié)構(gòu)的“指紋特征”，通過指紋特征來評(píng)估橋梁的健康和安全的評(píng)估方法。還發(fā)展了利用橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)、識(shí)別橋梁動(dòng)態(tài)特征的方法，將模糊系統(tǒng)灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法同時(shí)引入到橋梁狀態(tài)評(píng)估中，通過動(dòng)靜態(tài)結(jié)合、整體局部結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)估，建立專家系統(tǒng)。目前各種科研機(jī)構(gòu)大專院校及專業(yè)公司針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)均有相應(yīng)的程序軟件設(shè)計(jì)，運(yùn)用了各種評(píng)估方法，但是基于靜力測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)檢測(cè)及分析技術(shù)下是可靠而準(zhǔn)確的，這一點(diǎn)是使健康評(píng)估進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用并取信于人的關(guān)鍵；動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)于獲取沖擊系數(shù)，結(jié)構(gòu)自振特性是不可或缺的手段，但基于動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的評(píng)估技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展。傳感技術(shù)已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量采集自動(dòng)化，健康評(píng)估代替人的部分腦力勞動(dòng)使橋梁檢測(cè)評(píng)估智能化。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)

健康監(jiān)測(cè)既以傳感通信技術(shù)為基礎(chǔ)，憑借健康評(píng)估的方法，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)目標(biāo)：一是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況，為橋梁科學(xué)管理和維護(hù)提供依據(jù)。二是針對(duì)異常狀況提前預(yù)警報(bào)警，從而采取相應(yīng)措施確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)和實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)，災(zāi)害發(fā)生后也可為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估及時(shí)提供數(shù)據(jù)。三是開展橋梁結(jié)構(gòu)理論的科學(xué)研究，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)的假定和所采用的參數(shù)，健康監(jiān)測(cè)是橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室，可為新技術(shù)新方法的發(fā)展及應(yīng)用提供建議。四是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在施工階段安裝并進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)控制，使橋梁建成時(shí)達(dá)到理想成橋狀態(tài)并確保施工過程安全，橋梁建成即用于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理設(shè)想

當(dāng)前對(duì)橋梁的檢測(cè)通過橋梁缺損狀況檢查、結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)評(píng)定、結(jié)構(gòu)檢算與承載力評(píng)定，靜力動(dòng)力荷載試驗(yàn)等手段對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定，該方法固然行之有效，但是常規(guī)橋梁檢測(cè)如荷載試驗(yàn)需要較多的人力及設(shè)備等資源，大型橋梁的檢測(cè)試驗(yàn)動(dòng)輒數(shù)十萬的高昂費(fèi)用，交通中斷，耗費(fèi)大量的資源，資金，時(shí)間，按現(xiàn)行制度橋梁定期檢查周期不超過三年，特殊橋梁需進(jìn)行周期性的荷載試驗(yàn)[3]，部分限載限行的四五類橋梁的安全監(jiān)測(cè)，不期而至的災(zāi)害的發(fā)生，如風(fēng)災(zāi)、船舶撞擊、地震等，需要及時(shí)的預(yù)警及災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估，常規(guī)的檢測(cè)手段已經(jīng)窮于應(yīng)對(duì)。然而健康監(jiān)測(cè)技術(shù)卻可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，它的位移應(yīng)力測(cè)試等內(nèi)容與荷載試驗(yàn)原理相似，而其功能可以達(dá)到比常規(guī)的檢測(cè)手段還多，另外健康監(jiān)測(cè)在基礎(chǔ)的傳感技術(shù)層面正致力于追求耐久與穩(wěn)定的目標(biāo)，一旦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自身壽命達(dá)數(shù)年或十幾年甚至幾十年，其對(duì)當(dāng)前檢測(cè)手段的替代或部分替代，就可改變橋梁檢測(cè)的模式并取得十分可觀的效益。這種設(shè)想是科學(xué)合理的，近期武漢軍山長(zhǎng)江大橋的試驗(yàn)可以說明這一點(diǎn)，該橋?yàn)槠?跨連續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，安裝了一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為完成該系統(tǒng)的驗(yàn)收，就采用了荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并針對(duì)環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、索力、振動(dòng)、主塔偏位、塔梁空間變形等環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，進(jìn)行同一時(shí)刻同一位置的人工檢測(cè)結(jié)果與自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)果及相應(yīng)的理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，吻合較好，誤差在允許范圍內(nèi)[4]。

5 結(jié)語

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理，保證橋梁的安全和正常運(yùn)行，故障一旦發(fā)生，則有有健康評(píng)估和專家系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行損傷評(píng)估并做出養(yǎng)護(hù)對(duì)策。知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的背景下，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正推動(dòng)橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域和其他行業(yè)一樣進(jìn)行自動(dòng)化、信息化和智能化的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

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[3]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn).JTG H11—2004 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]葛新民.對(duì)既有橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的首次試驗(yàn)[J].橋梁，2013，（1）.

作者簡(jiǎn)介：

禹鵬，男，1988年9月生，漢族，重慶墊江人，碩士學(xué)歷，從事橋梁檢測(cè)方面的工作