小議橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的新概念與設(shè)計

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近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交通運(yùn)輸日漸繁忙,作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設(shè)計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。

　　對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀況有一個正確的認(rèn)識。這就要求管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和智能化的自行評估的功能。

　　一、橋梁健康監(jiān)測新概念

　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估,為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號,為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此,監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進(jìn)行監(jiān)控:

　　1、橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài);

　　2、橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(加支座)和附屬設(shè)施(如振動控制元件)的工作狀態(tài);

　　3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;

　　4、大橋所處環(huán)境條件;等等。

　　與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同,大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力,而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。

　　然而,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁(尤其是斜拉橋、懸索橋)的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動臺模擬試驗預(yù)測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而,結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型,并且分析時常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動臺試驗時對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此,通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上,國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測信息驗證結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

　　還應(yīng)看到,橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計的反思,它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展,但是,大跨度橋梁的設(shè)計中還存在很多未知和假定,超大跨度橋梁的設(shè)計也有許多問題需要研究。同時,橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補(bǔ)充,而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外,橋梁振動控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場試驗與調(diào)查。

　　二、健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　1、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則

　　顯然,監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對于特定的橋梁,建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評估,或是設(shè)計驗證,甚至以研究發(fā)展為目的;也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定,系統(tǒng)的監(jiān)測項目就可以基本上確定。另外,監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。

　　根據(jù)功能要求和成本-效益分析可以將監(jiān)測項目和測點(diǎn)數(shù)設(shè)計到所需的范圍,可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此,功能要求和效益-成本分析是設(shè)計橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。

　　2、監(jiān)測項目

　　不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項目不盡相同。因此,對于大跨度余支承橋梁,須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位,以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動力行為并驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計時的動力分析模型和響應(yīng)預(yù)測。另外,在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

　　目前,某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見,但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項目是專為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看,以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進(jìn)行深入研究或論證。

　　(1)抗風(fēng)方面:包括風(fēng)場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。

　　(2)抗震方面:包括研究各種場地地面運(yùn)動的空間與時間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過對墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復(fù)力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

　　(3)結(jié)構(gòu)整體行為方面:包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動下的非線性特性,橋址處環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)動力特性、靜力狀態(tài)(內(nèi)力分布、變形)的影響等。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評估方法非常重要。

　　(4)結(jié)構(gòu)局部問題:例如邊界、聯(lián)接條件,鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題,結(jié)合梁結(jié)合面(包括剪力鍵)的破壞機(jī)制,等等。索支承橋梁纜(拉)索和吊桿的振動與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。

　　(5)耐久性問題:橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜(拉)索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

　　(6)基礎(chǔ):大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)計問題,直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助橋梁監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題,也是設(shè)計部門的需要。

　　三、橋梁健康監(jiān)測意義

　　1、監(jiān)控與評估

　　橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估,為工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時發(fā)出預(yù)警信號,為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此,監(jiān)測系統(tǒng)通常對以下幾個方面進(jìn)行監(jiān)控:①橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài);②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài);③結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;④工程所處環(huán)境條件等等。

　　2、設(shè)計驗證

　　由于大型橋梁的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計階段安全掌握和預(yù)測其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此,通過橋梁健康檢測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設(shè)計理論和設(shè)計模型有驗證作用,而且有益于新的設(shè)計理論的形成。

　　3、研究與發(fā)展

　　橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計的反思,它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實驗室。由于運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補(bǔ)充,而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。