把好橋梁結(jié)構(gòu)“平安脈”

文

在第十屆國(guó)際纜索承重橋梁運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)會(huì)議舉辦期間，筆者有幸采訪了蘇交科集團(tuán)股份有限公司檢測(cè)研究院總工、在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張宇峰，采訪內(nèi)容包括橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用現(xiàn)狀、重要性分析、存在問(wèn)題等?，F(xiàn)摘編部分內(nèi)容，供高速公路行業(yè)同仁借鑒參考。

養(yǎng)護(hù)單位正在對(duì)“江西公路第一橋”鄱陽(yáng)湖大橋進(jìn)行安全性監(jiān)測(cè)。余玉華 攝

鏈接：【專家簡(jiǎn)介】張宇峰

張宇峰，工學(xué)博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，蘇交科集團(tuán)股份有限公司檢測(cè)研究院總工，在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事橋梁施工控制、檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估等科研工作，主持了蘇通長(zhǎng)江公路大橋、馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋等70余座大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施工作，50余座大橋的施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作，數(shù)百座橋梁的檢測(cè)、試驗(yàn)、評(píng)價(jià)、加固與維修工作。

【受訪者單位簡(jiǎn)介】蘇交科集團(tuán)股份有限公司

蘇交科集團(tuán)股份有限公司成立于1978年，是國(guó)內(nèi)首家上市的工程咨詢企業(yè)，也是目前中國(guó)民營(yíng)企業(yè)唯一入選“國(guó)際工程設(shè)計(jì)公司225強(qiáng)”“全球工程設(shè)計(jì)公司150強(qiáng)”雙百?gòu)?qiáng)榜單的企業(yè)。公司共有員工8000余人，其中，中高級(jí)人才超過(guò)30%，形成了一支包括“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領(lǐng)軍人才、享受國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、全國(guó)百名優(yōu)秀工程師、“新世紀(jì)十百千人才工程”第一層次等高層次人才在內(nèi)、專業(yè)配置齊全、結(jié)構(gòu)合理的科研創(chuàng)新隊(duì)伍。

從碎片到系統(tǒng)，橋梁監(jiān)測(cè)不容忽視

1940年，美國(guó)塔可馬(Tacoma)懸索橋發(fā)生風(fēng)毀事故后，人們逐漸意識(shí)到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性，但由于科技水平有限，早期的監(jiān)測(cè)手段比較落后，且未被很好地運(yùn)用到具體工程中。直到20世紀(jì)80年代中后期，歐美一些國(guó)家開始明確提出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新思路和概念，并先后在許多重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如丹麥的大貝爾特橋、日本的明石海峽大橋等。

20世紀(jì)90年代以后，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，橋梁建設(shè)技術(shù)飛速發(fā)展，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者紛紛開始進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)跨徑300米以上的斜拉橋、懸索橋中至少有140座已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，超過(guò)300座常規(guī)橋梁也已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

從采集到處理，告別人工省時(shí)省力

從本質(zhì)上看，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)于人體的神經(jīng)感知系統(tǒng)，主要是通過(guò)在橋梁主要部位設(shè)置傳感器，然后利用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳回后方計(jì)算機(jī)，最后經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件及人工輔助分析對(duì)數(shù)據(jù)做出判斷。與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)相比，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

精準(zhǔn)分析病害成因

眾所周知，橋梁伸縮縫裝置是橋梁中最易破損且難以維修的部位。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以找出常規(guī)檢測(cè)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的病因。以江陰長(zhǎng)江公路大橋伸縮縫修復(fù)項(xiàng)目為例，2003年，江陰長(zhǎng)江公路大橋伸縮縫出現(xiàn)損壞后，管理單位在梁端安裝了標(biāo)尺，并安排工作人員定期檢查，但一直未找到病害成因。2005年，江蘇省交通科學(xué)研究院有限公司（現(xiàn)蘇交科集團(tuán)股份有限公司）對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，并在梁端安裝了拉繩式位移計(jì)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集梁端位移數(shù)據(jù)及對(duì)比分析，最終找到了伸縮縫損害的原因。

異常事件快速報(bào)警

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以較為全面地把握橋梁建設(shè)及服役全過(guò)程的受力與損傷情況，并對(duì)地震、臺(tái)風(fēng)、船撞等造成的突發(fā)性損傷進(jìn)行報(bào)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)采取措施進(jìn)行處置。同時(shí)，該功能對(duì)橋梁的日常管養(yǎng)也具有重要意義，以橋面溫度監(jiān)測(cè)為例，當(dāng)鋼橋面溫度臨近60攝氏度時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取降溫措施。在傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)中，工作人員需要前往現(xiàn)場(chǎng)，利用溫度測(cè)槍檢測(cè)，工作環(huán)境惡劣且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。有了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，在辦公室就可以實(shí)時(shí)掌握橋面的溫度。

“蛙人”攜帶專業(yè)檢測(cè)設(shè)備潛入江中，為橋梁進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體檢，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)等提供重要數(shù)據(jù)。芮毅 攝

輔助常規(guī)試驗(yàn)檢測(cè)

以江陰長(zhǎng)江公路大橋運(yùn)營(yíng)期開展的荷載試驗(yàn)為例，在此次荷載試驗(yàn)中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為試驗(yàn)提供了環(huán)境影響觀測(cè)，對(duì)相近的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，還補(bǔ)充了部分測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)連續(xù)觀測(cè)估算了變形測(cè)量誤差。與此同時(shí)，還利用荷載試驗(yàn)封橋的機(jī)會(huì)，完成了對(duì)大橋主要指標(biāo)的影響線測(cè)定，為大跨徑橋梁運(yùn)營(yíng)期狀態(tài)快速評(píng)定提供了思路。

指導(dǎo)未來(lái)橋梁設(shè)計(jì)

“我們收集了2005年到2012年15次臺(tái)風(fēng)期間，江陰長(zhǎng)江公路大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋、蘇通長(zhǎng)江公路大橋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了基于長(zhǎng)期實(shí)測(cè)的江蘇沿海地區(qū)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)譜。”張宇峰說(shuō)，“與通用譜相比，它具有更好的擬合性，有助于準(zhǔn)確分析3座大跨徑索承橋在臺(tái)風(fēng)作用下的損傷情況，對(duì)類似大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義?！?/p>

當(dāng)前，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)從特大跨徑橋梁向常規(guī)橋梁拓展，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁管理中的作用會(huì)更加突出。“橋梁健康監(jiān)測(cè)是典型的跨學(xué)科工程，涉及統(tǒng)計(jì)分析、通訊、傳感、信號(hào)處理、軟件可視化與橋梁結(jié)構(gòu)等十幾個(gè)專業(yè)，因此，在構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)要解決許多技術(shù)瓶頸?！睆堄罘逭f(shuō)。

傳感器方面

現(xiàn)在使用的傳感器在精度、穩(wěn)定性、耐久性方面已經(jīng)有很大提升，但距離工程界的期望仍有一定差距，提高傳感器使用壽命或降低傳感器價(jià)格是今后要解決的核心問(wèn)題；分布式傳感技術(shù)、區(qū)域傳感技術(shù)及相應(yīng)的分析理論體系能夠解決有限傳感器數(shù)量與損傷隨機(jī)性之間的矛盾，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷、大幅降低系統(tǒng)造價(jià)提供可能，也是近期及今后的研究熱點(diǎn)之一。

養(yǎng)護(hù)人員正在檢測(cè)橋梁運(yùn)行情況。鐘曉亮 攝

數(shù)據(jù)采集與傳輸方面

近年來(lái)，橋梁數(shù)據(jù)的采集精度快速提高，傳感與采集環(huán)節(jié)呈現(xiàn)日益集成化的趨勢(shì)，同時(shí)，通訊技術(shù)的快速發(fā)展使得健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力大幅提高，從當(dāng)前情況來(lái)看，數(shù)據(jù)采集與傳輸方面的技術(shù)瓶頸已基本突破。如何在不大幅增加成本的前提下，提高無(wú)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性、同步性，將會(huì)成為今后重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理方面

隨著電子存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題已經(jīng)不再是制約橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。但對(duì)于先進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程和理解方式，已經(jīng)無(wú)法與在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取能力相匹配，因此，如何從源源不斷的在線數(shù)據(jù)中獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)能否發(fā)揮實(shí)際作用的關(guān)鍵所在；此外，如何在高噪聲環(huán)境下分離信號(hào)，并將數(shù)據(jù)以可視化形式展示給橋梁工程師，同樣是今后必須要解決的難題。

狀態(tài)評(píng)估方面

目前，利用現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直接監(jiān)測(cè)構(gòu)件的評(píng)估，如在橋索上設(shè)置振動(dòng)等傳感器，評(píng)估其安全性能是否良好。在間接構(gòu)件評(píng)估及多參數(shù)的全橋評(píng)估方面，很多方法已經(jīng)被理論和實(shí)驗(yàn)證明，并運(yùn)用到了日常評(píng)估中，但傳統(tǒng)方法抗噪聲干擾能力差，如果現(xiàn)場(chǎng)噪聲較大便無(wú)法正常識(shí)別，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、影響因素多源的橋梁檢測(cè)而言，具有非常大的影響。近年來(lái)，快速發(fā)展的人工智能與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為間接構(gòu)件評(píng)估提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，未來(lái)的發(fā)展值得期待。

“為破解上述技術(shù)難題，近年來(lái)我們積極與科研院校開展合作。在分布式傳感領(lǐng)域，通過(guò)與東南大學(xué)的合作，提高了分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率和測(cè)量精度，構(gòu)建了區(qū)域傳感技術(shù)體系，利用傳感器就可以對(duì)裂縫、應(yīng)變、位移等進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了一專多能；與中國(guó)人民解放理工大學(xué)合作開發(fā)的柔性導(dǎo)電涂料技術(shù)，可以對(duì)0.05毫米以上的裂紋進(jìn)行開裂報(bào)警……”在采訪過(guò)程中，張宇峰分享了近年來(lái)團(tuán)隊(duì)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的探索。

舒運(yùn)平 攝