【技術(shù)】橋梁健康監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展

橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施的生命線節(jié)點工程，隨著我國橋梁建設(shè)的深入，如何在運營期通過有效的管理和養(yǎng)護工作，有效保障橋梁的服役安全和使用性能，是21世紀(jì)橋梁的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的橋梁評估，是通過簡單的人工手段進行橋梁檢測和監(jiān)測，然和給出相關(guān)的加固和維護建議，然而，這種技術(shù)手段已經(jīng)無法滿足目前橋梁養(yǎng)護的要求，難以有效的防范突發(fā)事件的發(fā)生。隨著信息和傳感技術(shù)的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，該技術(shù)能夠?qū)崟r測取橋梁的服役狀態(tài)，從而為準(zhǔn)確評估橋梁性能提供數(shù)據(jù)與技術(shù)基礎(chǔ)。重大橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)是改善橋梁運營狀態(tài)、確保橋梁服務(wù)水平的根本措施。目前，大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測理論及技術(shù)已成為橋梁工程學(xué)術(shù)界、工程界及管理部門等共同關(guān)注的焦點。

一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的及功能

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估技術(shù)，而是被賦予了新的意義，一般來說，橋梁健康監(jiān)測需要達到如下三個目的：1.設(shè)計驗證:通過健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應(yīng)驗證設(shè)計計算理論與結(jié)果;

2.支持養(yǎng)護管理決策:結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和損傷識別理論對健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應(yīng)做出技術(shù)判斷，并考慮工程經(jīng)濟等多方面因素，得到合理的養(yǎng)護決策;

3.研究發(fā)展:通過健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應(yīng)還可為橋梁工程中的未知問題的研究提供契機，如力學(xué)理論、環(huán)境荷載的建模和控制與評估技術(shù)等。

為了實現(xiàn)上述監(jiān)測目的，健康監(jiān)測系統(tǒng)需要具備如下功能:及時監(jiān)測，自動實時監(jiān)測環(huán)境條件和橋梁響應(yīng)并直觀顯示結(jié)果;自動預(yù)警，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下反應(yīng)的實測值與理論值間的關(guān)系，對結(jié)構(gòu)的損傷情況進行識別和技術(shù)狀態(tài)評估，并對結(jié)構(gòu)異常緊急預(yù)警;長期連續(xù)監(jiān)測，記錄結(jié)構(gòu)狀態(tài)及長期變化趨勢。

 二、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成與監(jiān)測內(nèi)容

一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包含四個子系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系工作。

這四個子系統(tǒng)分別是:

1.傳感器系統(tǒng):包括位移計、加速度計、水平儀、溫度計、風(fēng)速風(fēng)向儀、車軸車速儀、信息放大處理器及連接介面等;

2.信息收集系統(tǒng):包含信號采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/span>;

3.信息處理和分析系統(tǒng):包括專業(yè)分析軟件、高性能計算設(shè)備等;

4.勸評估控制系統(tǒng):針對監(jiān)測采集結(jié)果，結(jié)合橋梁專家意見，對監(jiān)測結(jié)果進行橋梁狀態(tài)的評估，并給出有關(guān)建議。以東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，其具備傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在線評估系統(tǒng)，離線評估系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)。

在上述監(jiān)測系統(tǒng)下，主要對橋梁結(jié)構(gòu)如下狀態(tài)進行監(jiān)測:正常環(huán)境與交通荷載作用下的結(jié)構(gòu)物理與力學(xué)狀態(tài);橋梁附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)施如支座、伸縮縫等的工作狀態(tài);結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;橋梁所處環(huán)境條件等。因而，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要的監(jiān)測內(nèi)容是:氣象環(huán)境如溫度、濕度等;結(jié)構(gòu)位移如主梁和索塔位移;構(gòu)件應(yīng)力和內(nèi)力如鋼梁應(yīng)變、索力等;伸縮縫位移、支座變形、墩臺沉降等;結(jié)構(gòu)動力和構(gòu)件疲勞等。

三、我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況

隨著我國橋梁技術(shù)在近20年的飛速發(fā)展，我國已建成的大跨徑橋梁超過100多座。大跨徑橋梁的顯著特點是結(jié)構(gòu)輕柔，跨徑大，超靜定，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較難識別。而大跨徑橋梁作為交通系統(tǒng)的核心通道，保障其安全和性能至關(guān)重要。因此，這些橋梁的建設(shè)，也對其建成后的養(yǎng)護和管理工作提出了更高的要求。由于大跨徑橋梁運營期間所面臨的復(fù)雜環(huán)境作用，如爆炸、船撞、重載車流、極端風(fēng)荷載等偶然作用，也有疲勞荷載和可變作用形

成的結(jié)構(gòu)耐久問題，需要有行之有效的監(jiān)測系統(tǒng)，實時掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并提出優(yōu)化的、針對性的管理和維護措施，保證橋梁運營性能?；诖耍瑯蛄航】当O(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生。

目前，我國已有140余座大橋安裝橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，遍及各種橋型?？偨Y(jié)這些橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要有以下五大特點和發(fā)展趨勢:1.傳感器多，經(jīng)濟性顯著。一般而言大跨度橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)至少由100以上傳感設(shè)備，其造價占比一般達到橋梁總造價的0.5%一1.0%;2.以橋梁管理和維護為目的，橋梁監(jiān)測的目的就是獲得橋梁狀態(tài)，以優(yōu)化管理和維護措施，保障橋梁性能;3.監(jiān)測系統(tǒng)需具備可更換和可維護性;4.監(jiān)測系統(tǒng)開始延伸到施工狀態(tài)，形成施工與運營一體化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng);5.雖然橋梁監(jiān)測可以做到自動化和智能化，但對于監(jiān)測結(jié)果的評估，還需要橋梁專家的介入，以準(zhǔn)確評估監(jiān)測結(jié)構(gòu)的真實性和合理性。

在上述健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，探索新技術(shù)新理念，將監(jiān)測獲得的大數(shù)據(jù)真正用于有效的橋梁管理和維護中，非常重要。

四、橋梁健康監(jiān)測的新理論和新技術(shù)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)包含于橋梁管理系統(tǒng)，是健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的新理念?，F(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般用于單座大型橋梁，是針對單一橋梁的項目級系統(tǒng)，通過監(jiān)測儀器和軟件系統(tǒng)以實時監(jiān)測為主。橋梁管理系統(tǒng)適用于城市和公路橋梁管理，是針對橋梁群體的網(wǎng)絡(luò)級系統(tǒng)，以常規(guī)檢測為主。

傳感器優(yōu)化布設(shè)技術(shù):減少傳感器的數(shù)量，優(yōu)化其布設(shè)位置對于減少數(shù)量分析工作量、提高數(shù)據(jù)分析效率來講是一門非常重要的新技術(shù)。全壽命集成:健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)涉及全壽命周期，前伸到設(shè)計、施工階段，后續(xù)至養(yǎng)護管理階段，基于性能進行系統(tǒng)設(shè)計。傳感技術(shù)可行性(耐久性):傳感器能否耐久，并及時監(jiān)測指標(biāo)的變化是系統(tǒng)設(shè)計時考慮的重要事項。

4.1傳感傳輸技術(shù)

從監(jiān)測內(nèi)容上看，傳感傳輸領(lǐng)域包含變形、位移的測量，拉索銹蝕的檢測，疲勞監(jiān)測等的新技術(shù)。另外，傳感器技術(shù)，無線傳輸技術(shù)，健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術(shù)以及狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術(shù)都屬于該領(lǐng)域研究的新技術(shù)。

經(jīng)過長期的研究與改進之后，機敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測技術(shù)、準(zhǔn)直點激光投射式撓度監(jiān)測技術(shù)、基于GPRS壽SM的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術(shù)的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)都已成熟，并且已經(jīng)走向市場。圖2為光纖傳感器示意和EM傳感器示層。

4.2數(shù)據(jù)處理、識別、評估、預(yù)警理論

數(shù)據(jù)處理新技術(shù)包含對海量數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升、有效利用等處理技術(shù)。

損傷或狀態(tài)識別:運營橋梁在施工過程中不可避免存在結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的損傷，而監(jiān)測系統(tǒng)需要識別這些損傷的位置和程度，才能判斷是否對橋梁結(jié)構(gòu)安全和性能形成顯著影響，從而制定加固方法和養(yǎng)護策略。監(jiān)測系統(tǒng)需要有效快速地診斷損傷。目前研究的損傷識別方法大部分都是基于結(jié)構(gòu)振動的，主要有頻率法、頻率敏感性分析法、模態(tài)準(zhǔn)則MAC法、基于剛度矩陣的模態(tài)力誤差識別法、基于柔度矩陣的識別方法等。

結(jié)構(gòu)性能評估:影響橋梁結(jié)構(gòu)性能的因素眾多，這也是監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵難點。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前可以應(yīng)用多種數(shù)理方法用于評估橋梁的結(jié)構(gòu)性能，例如模糊綜合評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、及基于結(jié)構(gòu)可靠度的方法，目的都是利用監(jiān)測大數(shù)據(jù)，分析橋梁的結(jié)構(gòu)性能。

預(yù)警理論方法方面，則包含預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警閾值和預(yù)警方法的確定等，這些都是判斷預(yù)警是否正確、合理和準(zhǔn)確的核心。

4.3技術(shù)與理論瓶頸

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)這方面的研究雖然已經(jīng)取得了很大的進展，但是依然存在一些問題:首先，橋梁是由多種材料、多樣構(gòu)件形成的復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)體系，各個構(gòu)件的剛度特性都不一樣，這就形成了構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、易損性、剛度及動力特性等差別很大，在受損狀態(tài)下，通過監(jiān)測結(jié)果，較難高效地識別損傷位置和損傷程度，也很難通過某一監(jiān)測結(jié)果或者指標(biāo)去評估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。其次，實際橋梁的狀態(tài)，可能由于施工不確定性和環(huán)境作用等因素，使得其與我們預(yù)想的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在很大差別，這就是個采用數(shù)值建模的橋梁模型并不一定能夠完全反應(yīng)實際的橋梁狀態(tài)，這給橋梁的狀態(tài)識別帶來很高的難度，另外大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)存在顯著的非線性特征，這種非線性對于橋梁的受力和損傷分析，也是非常復(fù)雜的。最后，目前的測試設(shè)備和傳感器仍然存在壽命不穩(wěn)定，抗干擾性差等問題，因此，研發(fā)高精度、高耐久性和高準(zhǔn)確率的測試設(shè)備和傳感器，對于準(zhǔn)確獲取橋梁響應(yīng)具有重要意義。

    隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展，無論是既有橋梁還是新建橋梁，對橋梁狀態(tài)評估已成為橋梁面臨的深刻問題。論文探討了我國橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的基本狀況，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的功能、目的、監(jiān)測內(nèi)容等定義與分析，結(jié)合我國目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況，提出健康監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵方向，包括傳感技術(shù)的開發(fā)和監(jiān)測理論和研究，真正將健康監(jiān)測系統(tǒng)更有效地服務(wù)于橋梁的管理和維護中。