淺議橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展

禹鵬 趙劍

摘要：橋梁健康監(jiān)測的理念起源于20世紀50年代，隨著科學技術(shù)的發(fā)展而不斷更新和進步，從原初的單一人工幾何形態(tài)測量到當前先進的各種參數(shù)的自動測量、健康狀態(tài)的自動評估，健康監(jiān)測逐步進行著智能化的轉(zhuǎn)變，功能目標不斷擴大和完善，可以預見，這種技術(shù)會改變當前的橋梁管養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測；橋梁工程；智能化

0 前言

橋梁健康監(jiān)測的概念起步于20世紀50年代，受限于該時期落后的科學技術(shù)條件，結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要是進行結(jié)構(gòu)的長期變形、基礎(chǔ)沉降變位等幾何形態(tài)監(jiān)測，這是健康監(jiān)測最基本的內(nèi)容，當然也是很單一的，其技術(shù)手段以人工測量為主。二戰(zhàn)以后導彈火箭的建造與航空航天的發(fā)展引領(lǐng)科學技術(shù)的潮流，電子計算機、傳感技術(shù)、通信技術(shù)蓬勃發(fā)展。西方國家戰(zhàn)后的二三十年進行了大規(guī)模的土木工程建設(shè)，也是在這個時期部分壽命已長達幾十年的橋梁產(chǎn)生病變并不斷引發(fā)災(zāi)難，如1967年美國銀橋倒塌，引發(fā)行業(yè)巨大反思。橋梁發(fā)展的現(xiàn)狀迫切需要結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測以進行橋梁狀況判斷從而進行適當維護并確保安全，健康監(jiān)測觀念早已有之，又有來自尖端領(lǐng)域的借鑒以及基礎(chǔ)技術(shù)的積累，健康監(jiān)測系統(tǒng)遂進入橋梁工程，國外土木工程實時健康監(jiān)測始于20世紀70年代末。我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較晚，但經(jīng)過20余年的學習與追趕，跟蹤與提高，各類特大型橋梁遍布全國各地，成就之巨大令國外同行難以置信[1]，我國的健康監(jiān)測就是在這樣的情形下開始于20世紀90年代中期的，當前，我國已有超過200座大型橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)[2]。2013年3月1日中國工程建設(shè)標準化協(xié)會發(fā)布的《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計標準》開始實施，有助于該技術(shù)在我國得到進一步的發(fā)展。

1 健康監(jiān)測的技術(shù)手段

目前，健康監(jiān)測各種參數(shù)的采集均已實現(xiàn)自動化。如結(jié)構(gòu)變形及位移是與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，反映結(jié)構(gòu)整體性能的重要參數(shù)，在參數(shù)獲取上可采用全站儀、激光位移計、GPS，連通管、電子傾角儀等。應(yīng)力反映關(guān)鍵截面的受力狀況，應(yīng)力水平關(guān)系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，強度與安全，應(yīng)力的監(jiān)測采用鋼弦應(yīng)變計或光纖應(yīng)變計。風速儀、溫度濕度儀、電子稱等廣泛用于橋梁環(huán)境因素及車輛荷載的監(jiān)測。傳感領(lǐng)域中光纖、激光、GPS、聲波、壓電等各種全天候、高穩(wěn)定的新型信息獲取手段正在不斷發(fā)展完善。基于電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使得橋梁管理人員遠在千里之外即可對橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況了如指掌。深刻地改變了橋梁設(shè)施傳統(tǒng)的有人值守的管養(yǎng)模式。

2 安全評估技術(shù)

橋梁的安全評價技術(shù)方面，結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別方面均已有了廣泛的研究。如研究利用結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力相應(yīng)的歷史記錄，建立橋梁結(jié)構(gòu)的“指紋特征”，通過指紋特征來評估橋梁的健康和安全的評估方法。還發(fā)展了利用橋梁運營過程中的環(huán)境振動響應(yīng)、識別橋梁動態(tài)特征的方法，將模糊系統(tǒng)灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法同時引入到橋梁狀態(tài)評估中，通過動靜態(tài)結(jié)合、整體局部結(jié)合進行綜合評估，建立專家系統(tǒng)。目前各種科研機構(gòu)大專院校及專業(yè)公司針對橋梁監(jiān)測均有相應(yīng)的程序軟件設(shè)計，運用了各種評估方法，但是基于靜力測試數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)狀況評估，在當前結(jié)構(gòu)檢測及分析技術(shù)下是可靠而準確的，這一點是使健康評估進入實際應(yīng)用并取信于人的關(guān)鍵；動態(tài)測試對于獲取沖擊系數(shù)，結(jié)構(gòu)自振特性是不可或缺的手段，但基于動態(tài)測試數(shù)據(jù)的評估技術(shù)還有待進一步的發(fā)展。傳感技術(shù)已實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量采集自動化，健康評估代替人的部分腦力勞動使橋梁檢測評估智能化。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)的目標

健康監(jiān)測既以傳感通信技術(shù)為基礎(chǔ)，憑借健康評估的方法，可以實現(xiàn)四個目標：一是長期監(jiān)測和評估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況，為橋梁科學管理和維護提供依據(jù)。二是針對異常狀況提前預警報警，從而采取相應(yīng)措施確保橋梁安全運營和實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)，災(zāi)害發(fā)生后也可為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估及時提供數(shù)據(jù)。三是開展橋梁結(jié)構(gòu)理論的科學研究，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析、試驗的假定和所采用的參數(shù)，健康監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗室，可為新技術(shù)新方法的發(fā)展及應(yīng)用提供建議。四是健康監(jiān)測系統(tǒng)可在施工階段安裝并進行施工監(jiān)測控制，使橋梁建成時達到理想成橋狀態(tài)并確保施工過程安全，橋梁建成即用于運營狀態(tài)監(jiān)測。

4 健康監(jiān)測系統(tǒng)的合理設(shè)想

當前對橋梁的檢測通過橋梁缺損狀況檢查、結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定、結(jié)構(gòu)檢算與承載力評定，靜力動力荷載試驗等手段對橋梁進行檢測評定，該方法固然行之有效，但是常規(guī)橋梁檢測如荷載試驗需要較多的人力及設(shè)備等資源，大型橋梁的檢測試驗動輒數(shù)十萬的高昂費用，交通中斷，耗費大量的資源，資金，時間，按現(xiàn)行制度橋梁定期檢查周期不超過三年，特殊橋梁需進行周期性的荷載試驗[3]，部分限載限行的四五類橋梁的安全監(jiān)測，不期而至的災(zāi)害的發(fā)生，如風災(zāi)、船舶撞擊、地震等，需要及時的預警及災(zāi)后檢測評估，常規(guī)的檢測手段已經(jīng)窮于應(yīng)對。然而健康監(jiān)測技術(shù)卻可以實現(xiàn)長期實時監(jiān)測，它的位移應(yīng)力測試等內(nèi)容與荷載試驗原理相似，而其功能可以達到比常規(guī)的檢測手段還多，另外健康監(jiān)測在基礎(chǔ)的傳感技術(shù)層面正致力于追求耐久與穩(wěn)定的目標，一旦監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)自身壽命達數(shù)年或十幾年甚至幾十年，其對當前檢測手段的替代或部分替代，就可改變橋梁檢測的模式并取得十分可觀的效益。這種設(shè)想是科學合理的，近期武漢軍山長江大橋的試驗可以說明這一點，該橋為漂浮5跨連續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，安裝了一套健康監(jiān)測系統(tǒng)，為完成該系統(tǒng)的驗收，就采用了荷載試驗進行對比驗證，并針對環(huán)境溫濕度、風速風向、索力、振動、主塔偏位、塔梁空間變形等環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，進行同一時刻同一位置的人工檢測結(jié)果與自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果及相應(yīng)的理論計算值進行對比，吻合較好，誤差在允許范圍內(nèi)[4]。

5 結(jié)語

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過自動監(jiān)測和管理，保證橋梁的安全和正常運行，故障一旦發(fā)生，則有有健康評估和專家系統(tǒng)自動進行損傷評估并做出養(yǎng)護對策。知識經(jīng)濟時代的背景下，健康監(jiān)測系統(tǒng)正推動橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域和其他行業(yè)一樣進行自動化、信息化和智能化的轉(zhuǎn)變。

參考文獻：

[1]項海帆，潘洪萱等.中國橋梁史綱[M].上海：同濟大學出版社，2009.

[2]梁新政，韓依璇等.始于足下的TBL計劃[J].橋梁，2013，（5）.

[3]中華人民共和國交通運輸部標準.JTG H11—2004 公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]葛新民.對既有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的首次試驗[J].橋梁，2013，（1）.

作者簡介：

禹鵬，男，1988年9月生，漢族，重慶墊江人，碩士學歷，從事橋梁檢測方面的工作