公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警研究

呂強

（合肥市正茂科技有限公司，合肥 230088）

1 引言

從近年來陸續(xù)暴露出的重大橋梁事故原因分析來看，絕大多數(shù)安全事故的起因都與橋梁健康監(jiān)測及維修保養(yǎng)工作未落實有關(guān)，在此背景下，人們越來越關(guān)注橋梁健康監(jiān)測工作，希望通過此手段改善橋梁工程整體質(zhì)量，保障人們出行安全。隨著近年來我國科學(xué)技術(shù)水平的進一步提高，各類現(xiàn)代化高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)信號采集技術(shù)得到更新與優(yōu)化，成為橋梁健康監(jiān)測的有益幫手。本文從公路橋梁健康監(jiān)測及安全預(yù)警2 個方面展開論述，希望能為相關(guān)單位及企業(yè)提供借鑒。

2 公路橋梁健康監(jiān)測研究

2.1 公路橋梁健康監(jiān)測的意義

當(dāng)代道路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)并不是對傳統(tǒng)的檢測技術(shù)的簡單改進，而是在結(jié)合了現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)應(yīng)用后，搭建全天候監(jiān)測系統(tǒng)，不間斷地獲取橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息及環(huán)境載荷數(shù)據(jù)，通過對各類數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析，對橋梁健康狀態(tài)進行評估，以此作為橋梁維修及養(yǎng)護人員的參考信息[1]。公路橋梁健康監(jiān)測的意義在于：

1）檢測橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)。通過檢測，可幫助路橋管理人員評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，從而及時準確地發(fā)現(xiàn)病害，并對潛在安全隱患進行預(yù)警；除此之外，還能助工作人員準確識別橋梁各構(gòu)件的損傷情況，以便后續(xù)運營管理工作的正常開展。

2）保證施工階段的安全與質(zhì)量。對道路橋梁進行周期性檢測，可以有效避免施工過程中一些風(fēng)險，保證施工安全和施工質(zhì)量。

3）及時發(fā)送事故預(yù)警。通過檢測，可對歷史檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢進行分析，建立橋梁正常運營環(huán)境下的各項動力、靜力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)信息集，從而在大橋遭遇突發(fā)大荷載、極端天氣變化或嚴重過載事故時觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，避免重大安全事故的發(fā)生。

2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

加強對橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測的主要目的是希望通過相關(guān)技術(shù)手段的應(yīng)用，達到對特殊氣候、交通條件及異常運營狀態(tài)下的橋梁健康評估，以便發(fā)出預(yù)警，從而使橋梁結(jié)構(gòu)得到及時有效的維修與保養(yǎng)，確保橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全運營狀態(tài)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個功能豐富的多學(xué)科集成系統(tǒng)，是以橋梁結(jié)構(gòu)檢測為主，以信號處理、狀態(tài)分析、損傷識別等多種手段為輔的橋梁機構(gòu)科學(xué)評估體系。該系統(tǒng)的有效運用為實現(xiàn)對運營橋梁進行健康監(jiān)測，規(guī)避各類潛在安全風(fēng)險提供了有力支撐。

20 世紀90 年代末，同濟大學(xué)針對徐浦大橋主梁撓度、混凝土應(yīng)變、振動加速度、斜拉索索力、車輛荷載、環(huán)境溫濕度等指標的綜合監(jiān)測，設(shè)計了符合大橋?qū)嶋H情況的集成監(jiān)測系統(tǒng)，開創(chuàng)了中國在運營橋梁健康狀態(tài)實時監(jiān)測的先河[2]。

為了解重慶大佛寺大橋主梁應(yīng)變情況，研究人員在該橋建設(shè)階段，在其5 個關(guān)鍵截面安裝了40 個光纖法珀傳感器，并在主塔上安裝了大量程高分辨力的激光撓度計，首次在國內(nèi)實現(xiàn)了光電撓度監(jiān)測系統(tǒng)和光纖法珀應(yīng)變傳感器的橋梁工程應(yīng)用[3]；在進行湛江海灣大橋設(shè)計過程中，為方便后期的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測，設(shè)計了包活應(yīng)變傳感器、振動傳感器、索力傳感器、溫濕度傳感器等在內(nèi)的103 個各類傳感器，并配合使用GPS 系統(tǒng)，為橋梁重要子部位位移變化情況監(jiān)測提供了可能，同時，還能夠在強風(fēng)、船撞或者地震等突發(fā)情況下監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)。

對道路橋梁進行監(jiān)控監(jiān)測時，呈現(xiàn)出3 個主要特征：（1）針對橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)要素，包括橋梁應(yīng)變，橋梁線性，以及橋梁振動速度等，全面進行監(jiān)測，并結(jié)合自然環(huán)境，加深監(jiān)測效果，輔以交通荷載監(jiān)測，加強鋼筋腐蝕監(jiān)測等，進而提升全橋監(jiān)測效果；（2）監(jiān)測原始數(shù)據(jù)庫的組成，需要將施工監(jiān)測數(shù)據(jù)、橋梁荷載試驗數(shù)據(jù)，以及橋梁施工前的有限元模型計算的數(shù)據(jù)結(jié)果等錄入監(jiān)測系統(tǒng)中，形成原始數(shù)據(jù)庫，為后期橋梁施工安全監(jiān)測和橋梁評估提供理論數(shù)據(jù)支持；（3）以健康監(jiān)測系統(tǒng)為主，并輔以人工巡檢方式實現(xiàn)橋梁安全預(yù)警評估。

2.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要目的是記錄橋梁信息，以為橋梁運維人員提供理論依據(jù)。系統(tǒng)主要由橋梁基本數(shù)據(jù)庫管理模塊、橋梁損傷評價模塊及橋梁維修管理計劃優(yōu)化模塊3 個模塊構(gòu)成，系統(tǒng)模塊彼此相互獨立，又相輔相成，但在具體應(yīng)用實踐中，研究人員可根據(jù)需求以任意一個模塊為切入點執(zhí)行程序。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要由3 個子系統(tǒng)構(gòu)成，他們分別是橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)、維修加固記錄系統(tǒng)和橋梁巡檢檢查記錄系統(tǒng)。

1）橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要存儲的是橋梁基本信息數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)功能是為后期橋梁日常管理提供理論依據(jù)。通過橋梁基本信息系統(tǒng)應(yīng)用，可檢索、瀏覽橋梁結(jié)構(gòu)基本信息，以方便橋梁運維人員進行及時的、科學(xué)有效的橋梁檢查與維修。

2）檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置的主要目的是將各類檢測數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計、分析，并以圖表形式呈現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移情況。

3）維修、加固記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)的主要應(yīng)用優(yōu)勢就是能夠針對曾接受過維修加固處理的橋梁信息進行記錄，并存儲于檔案之中。信息內(nèi)容包括維修、加固時間、方法、原因等，以便在其他橋梁出現(xiàn)類似情況時有第一手參考資料。

3 公路橋梁安全預(yù)警研究

3.1 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測內(nèi)容與體系研究

從現(xiàn)階段我國道路橋梁管護工作實際現(xiàn)狀來看，管護任務(wù)比較繁重，而傳統(tǒng)的人工巡檢、管護方式顯然已經(jīng)無法滿足大量管護作業(yè)的要求，為此，必須通過自動化技術(shù)手段，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)橋梁狀態(tài)檢測及預(yù)警，為管護人員提供技術(shù)指導(dǎo)。當(dāng)前，國內(nèi)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測體系不僅維護費用高，還存在維護難度大等劣勢，無法應(yīng)用于中小跨徑橋梁。在此，本研究在傳統(tǒng)檢測技術(shù)基礎(chǔ)上，研究出一種適用于一般公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測體系[4]。在系統(tǒng)應(yīng)用中，需結(jié)合不同橋梁結(jié)構(gòu)的特點，科學(xué)設(shè)置監(jiān)測內(nèi)容，優(yōu)化布點設(shè)計。概括而言，其主要監(jiān)測內(nèi)容包含以下幾個方面：

1）橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)。在橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測方面，主要針對橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力、動態(tài)位移及振動加速度等方面進行全方位監(jiān)測。

2）橋梁結(jié)構(gòu)長期準靜態(tài)幾何變位。針對橋梁結(jié)構(gòu)長期準靜態(tài)幾何變位的監(jiān)測，主要是對橋梁是否出現(xiàn)了墩臺變形或基礎(chǔ)沉降等現(xiàn)象進行觀測。

3）橋梁環(huán)境參數(shù)。橋梁環(huán)境就是指橋梁所在地的外部氣候環(huán)境，包括風(fēng)向、溫濕度等。

4）通行橋梁荷載參數(shù)。荷載一般指橋梁運營荷載，如行駛于橋梁之上的車輛荷載。

5）橋梁特定構(gòu)件。特定構(gòu)件就是指橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)承受的吊桿力、支座反力及位移、裂縫等。

3.2 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測評估體系

現(xiàn)階段，國內(nèi)橋梁建筑管理單位對于橋梁安全預(yù)警監(jiān)測評估體系的應(yīng)用一般是基于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)信息資料，將橋梁既有信息及運營現(xiàn)狀等信息與橋梁健康狀態(tài)評估閾值進行比較，根據(jù)其存在的差值進行橋梁結(jié)構(gòu)安全性進行判斷。因此，此安全預(yù)警監(jiān)測體系構(gòu)建過程中，需做好構(gòu)建評價指標、選擇評價方法及設(shè)計評價指標閾值等工作。在體系應(yīng)用實踐中，一旦某橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過既定閾值，安全預(yù)警系統(tǒng)便會自行啟動，啟動預(yù)警作用。

一般在評估橋梁運營安全性時，主要有兩種選擇，即根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的直接評估和監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化量評估法。前者是根據(jù)橋梁某一時間段內(nèi)的實際監(jiān)測結(jié)果進行橋梁健康狀態(tài)直接評估，以準確掌握橋梁運營期間的承載能力水平、行車適用性及結(jié)構(gòu)耐久性等；而后者則根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)多次監(jiān)測結(jié)果與初始值的對比分析，根據(jù)其出現(xiàn)的變化量與對應(yīng)的均方差限值比較，判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載力、耐久性是否滿足橋梁安全運營指標。中小跨徑橋梁綜合評定流程如圖1 所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評定流程

3.3 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測方法與理論

結(jié)合靈敏度較高的傳感器，對橋梁結(jié)構(gòu)的微幅振動響應(yīng)信號進行記錄。然后采用相關(guān)技術(shù)手段進行分析處理后，對橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行科學(xué)設(shè)置，同時，采用隨機方法進行環(huán)境荷載激振動力監(jiān)測。此環(huán)節(jié)中，可用方法較多，如正弦激振法、沖擊激振和行車荷載激振等。通常情況下，在監(jiān)測過程中一般以大型載重車輛通過時的剎車激振測試為主，只有此種測試方式能夠幫助研究人員全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的各類動力時程響應(yīng)。動力測試系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 動力測試系統(tǒng)原理

在進行橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)與養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)性能評定過程中，一般會同步進行橋梁激振，然而，在具體實踐中一般會因現(xiàn)場條件影響，需盡可能減少人工作業(yè)量。對于橋梁結(jié)構(gòu)激振操作，通常是對自然使用狀態(tài)下的橋梁環(huán)境荷載及橋上通行荷載情況監(jiān)測，以便于后期橋梁管養(yǎng)“自動化”目標實現(xiàn)。

3.4 公路橋梁安全預(yù)警測點優(yōu)化布置

在布置橋梁動力點時，要結(jié)合上述理論分析結(jié)果及橋梁具體情況進行科學(xué)布置，一般選擇橋梁縱向測試截面布置法。主要方法如下：

1）簡支梁：測點布置一般按照4 分跨間距進行，但這一制式并不絕對，對于一些跨度較大、精度要求較高的簡支梁，也可選擇6 分跨布置方式。

2）連續(xù)梁：2 跨連續(xù)梁參照簡支梁2 跨同時布置；3 跨及以上連續(xù)梁，主跨、邊跨均按8 分跨間距同時布置；如果某橋梁跨度較小，精度要求較低，主跨可按4 分或6 分跨進行布置。

3）拱橋：布置橋梁自振特性測點時，可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)跨度大小情況按8 分跨間距進行布，測點數(shù)量一般是豎向、橫向可各1 個，其他動態(tài)測點不少于3 個。

4 結(jié)語

橋梁健康狀態(tài)檢測及預(yù)警體系研究是現(xiàn)階段大荷載量、通行量情況下的橋梁運維工作的必然發(fā)展記過，本研究在傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)，提出適合大多數(shù)公路橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測內(nèi)容與評判體系”。在建設(shè)橋梁安全預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)中，要本著以自動化為主，人工為輔原則進行。為實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的精準監(jiān)測，本文還專門針對系統(tǒng)應(yīng)用中的公路橋梁安全預(yù)警測點布置進行了詳細介紹，希望能為相關(guān)人員提供科學(xué)借鑒。