橋梁健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況

段東

摘 要：橋梁的承載能力和健康狀態(tài)與其在外力作用下引起的扭曲、撓曲、位移等有關(guān)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要部分，在橋梁實(shí)際運(yùn)行中占據(jù)了重要地位。首先簡述了橋梁的典型病害及產(chǎn)生原因;其次針對產(chǎn)生原因列舉了目前普遍應(yīng)用的監(jiān)測技術(shù)，并指出各技術(shù)的作用原理和處理方法;接著指出了監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，說明了在監(jiān)測系統(tǒng)下橋梁的運(yùn)行狀況;最后展望了監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用前景，可為研究橋梁健康監(jiān)測技術(shù)理論與工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁病害;監(jiān)測技術(shù);工程應(yīng)用

0 引言

橋梁自人類文明開始就已存在，其經(jīng)歷了漫長的發(fā)展，為人們的生活提供了很大的便利。目前關(guān)于橋梁修建的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，各類規(guī)范也相對全面。但是，運(yùn)輸壓力隨著人口的增長不斷提高，橋梁建造的難度相應(yīng)也越來越大。尤其是地勢陡峭或跨度較大的地區(qū)，對橋梁的安全性、耐久性以及可維護(hù)性有了更高的要求。如何能實(shí)時(shí)、有效的地監(jiān)測和評價(jià)橋梁在各種環(huán)境下的健康狀態(tài)，是一個(gè)值得分析和解決的問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者建立了各種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)并取得了豐富的成果[1]。縱觀國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，GPS系統(tǒng)、超聲波技術(shù)、光纖傳感器以及光纖陀螺儀等技術(shù)均有所應(yīng)用及發(fā)展[2]。本文基于前人研究的成果與結(jié)論，將橋梁的健康監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并且闡述其今后的發(fā)展趨勢，為監(jiān)測技術(shù)的理論研究、實(shí)際工程的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 典型病害及產(chǎn)生原因

病害是使橋梁損壞、失效甚至坍塌的主要原因之一。為使橋梁更加符合安全性、適應(yīng)性以及耐久性的要求，確定病害類型是解決問題的第一步。橋梁病害有內(nèi)因和外因兩個(gè)大的方面。其中內(nèi)因?yàn)闃?gòu)成橋梁的材料自身存在收縮、材料間的化學(xué)反應(yīng)、溫度變化等，例如環(huán)境的變化會產(chǎn)生細(xì)小的裂縫;外因則為雨水、空氣的侵蝕，車輛、船舶等物件的撞擊以及一些不可控的人為因素;施工不當(dāng)也會形成蜂窩、麻面、空洞、剝落等病害。這些病害誘因有些是可控的，有些是不可控的。對于可控因素，后期加強(qiáng)監(jiān)測和管理就會減少橋梁的病害。不同地區(qū)因經(jīng)濟(jì)情況、地勢條件以及技術(shù)水平的不同監(jiān)測方式會有所不同。

2 監(jiān)測類型與原理

2.1 GPS監(jiān)測系統(tǒng)

GPS監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)用衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航檢測，從而形成全球范圍的監(jiān)測系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)于20世紀(jì)80年代末由美方建成的，其有全天候、自動(dòng)定位、全球范圍內(nèi)以及定位精準(zhǔn)、速度快的特點(diǎn)。定位方式分為單點(diǎn)絕對定位和差分相對定位兩大類。

以江陰大橋?yàn)槔珿PS監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于大橋時(shí)具體實(shí)現(xiàn)方法是：將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纖信息網(wǎng)及時(shí)反饋給監(jiān)測中心數(shù)據(jù)處理室，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理、信號分析以及評價(jià)系統(tǒng)等分析軟件將數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而形成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)坐標(biāo)，進(jìn)而形成大橋動(dòng)態(tài)變化圖像。

2.2 光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1 計(jì)算公式

光纖布拉格光柵是一種以光纖為媒介的新型材料。其作用原理是光柵周期變化量與反方向耦合模的有效折射率決定了光纖光柵的波長光譜，因此任何參數(shù)的改變都會導(dǎo)致波長的變化，其計(jì)算公式如下：

（1）

應(yīng)變、溫度、加速度引起光柵波長變化的計(jì)算公式分別為：

（2）

?（3）

（4）

最終可推得由光柵表示的位移公式為：

（5）

其中（1）～（5）式中各符號的含義見文獻(xiàn)[4]。

2.2.2 監(jiān)測內(nèi)容

光纖傳感器主要通過測試橋梁的受力特性、幾何變化和振動(dòng)形式。具體為車輛在橋面上的行進(jìn)的豎、橫向加速度;橋面在活荷載、溫度變化等荷載作用下引起的應(yīng)力、應(yīng)變曲線，以及分析橋梁結(jié)構(gòu)整體和局部最不利應(yīng)力位置和大小與疲勞應(yīng)力幅值;橋梁結(jié)構(gòu)豎向、橫向前3階自振頻率、陣型以及阻尼比;溫度變化、混凝土收縮及徐變等因素引起的橋梁軸線位置的改變。具體見表1。

3 發(fā)展現(xiàn)狀及工程應(yīng)用

目前關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用十分廣泛。已有的監(jiān)測技術(shù)有神經(jīng)脈絡(luò)仿生和紅外線熱像儀;機(jī)械法、電測法和光干涉法;雷達(dá)和超聲波法;GPS、光纖法等。

貴州高速公路懸索橋因山丘多且溝谷跨度大，為滿足安全性、適用性及耐久性便應(yīng)用了健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)從環(huán)境荷載、幾何變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及動(dòng)力響應(yīng)四個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測。將GPS和光纖光柵技術(shù)結(jié)合起來，利用傳感器將A，B橋分別進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測下A橋已正常工作6年，B橋傳感器安裝時(shí)間較短，但目前各數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

象山港大橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁5跨連續(xù)版漂浮斜拉橋，根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于有限元計(jì)算分析結(jié)果以及橋梁的養(yǎng)護(hù)需求，對橋梁進(jìn)行一系列的監(jiān)測。具體監(jiān)測項(xiàng)目有：橋梁典型的荷載、代表性構(gòu)件控制截面的變形狀況、關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變及溫度、懸索的受力監(jiān)測與動(dòng)力荷載效應(yīng)。

4 存在問題及措施

目前橋梁監(jiān)測主要存在四個(gè)主要問題：第一，對于橋梁尤其是大型橋梁很難做到長期監(jiān)測，并且監(jiān)測設(shè)備維護(hù)成本極高;第二，用于計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)的軟件不完善，導(dǎo)致大量的原始數(shù)據(jù)不能及時(shí)、有效的被利用;第三，現(xiàn)行的橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)缺少一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大部分都是對橋梁的正常使用狀態(tài)和橋梁的外觀變化進(jìn)行監(jiān)測;第四，監(jiān)測的核心技術(shù)仍被壟斷[5]。

對于監(jiān)測過程中存在的以上問題，研發(fā)出適用和可靠的損傷辨識指標(biāo)是研究的重點(diǎn)。另外加強(qiáng)橋梁施工過程中的規(guī)范管理，控制人為因素從而降低橋梁病害發(fā)生的概率。忽略不可控因素后將計(jì)算方法通過已有工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，致力尋找一個(gè)最佳的監(jiān)測方式，并將要求的狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。

5 結(jié)論

橋梁作為城市發(fā)展重要的載體之一，其安全性的保障尤為重要。針對橋梁監(jiān)測提出了高穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制、安裝便捷、高速傳輸?shù)刃乱?，關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將會有以下的發(fā)展：

（1）優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)，從而降低監(jiān)測與維護(hù)成本;

（2）完善數(shù)據(jù)處理方法，將其公式化、規(guī)范化，從而將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)使用;

（3）推動(dòng)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展并推出其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將橋梁的監(jiān)測變成一個(gè)整體。

參考文獻(xiàn)：

[1]原琨，李楊.超聲波技術(shù)在橋梁內(nèi)部鋼筋健康監(jiān)測的研究[J].綠色科技，2016（6）：143-145+150.

[2]柏格文.光纖陀螺儀在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2017（12）：36-37.

[3]和永軍，繆應(yīng)鋒，劉華.北斗和GPS系統(tǒng)在病害影響下橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，39（S1）：52-57.

[4]郭玲，朱茂之.光纖光柵傳感器在城軌橋梁監(jiān)測中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].山西建筑，2014，40（21）：160-162.

[5]吳學(xué)林.橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及發(fā)展[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（14）：112.