橋梁健康監測策略分析與框架設計

劉興鳳 邊文同

[摘要]本文就健康監測策略分析與框架設計進行了闡述,針對不同需求,梳理了三套橋梁健康監測系統的框架,并提出了橋梁健康監測系統設計的原則和系統設計步驟建議,可供橋梁健康監測系統設計人員參考。

[關鍵詞]橋梁 健康監測 策略分析

1 引言

目前我國土木工程事故頻繁發生,如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等,造成了重大的人員傷亡和財產損失,已經引起人們對于重大工程安全性的關心和重視。另外,我國有一大部分橋梁和基礎設施都是在五六十年代建造的,經過這么多年的使用,他們的安全性能如何?是否對人民的生命財產構成威脅?這些都是亟待回答的問題。近些年,地震、洪水、暴風等自然災害也對這些建筑物和結構造成不同程度的損傷;還有一些人為的爆炸等破壞性行為,如美國世貿大樓倒塌對周圍建筑物的影響。這些越來越引起人們的密切關注。如果能在災難到來之前對其預測,進行評估,以趨利避害已成為人們關注的焦點。因此,對結構性能進行監測,及時地發現結構的損傷,對可能出現的災害進行預測,評估其安全性已經成為未來工程的必然要求,也是土木工程學科發展的一個重要領域,本文就此內容進行簡要探討。

2 健康監測策略分析

雖然目前橋梁健康監測系統的研究遇到了一些困難和障礙,但是橋梁健康監測系統研究和應用的重大價值和意義無論怎么強調都不為過,它是生命線工程防災減災的有效手段。

然而,應清醒地認識到,橋梁健康監測系統不是萬能的,尤其是限于目前的研究和應用水平。由于缺乏有效的損傷識別和狀態評估的理論算法,使得橋梁健康監測系統不能進行有效的健康診斷。關于健康監測系統的健康診斷問題,本文提出以下兩個觀點:

(1)目前健康監測系統在橋梁結構健康診斷方面比較現實也是能夠做到的是:在橋梁健康監測系統安裝的初期,結構一般是處在健康狀態的(現階段未發現異常),通過長期一段時間的監測,可以得到不同時間序列內的橋梁在各種環境下的各力學參數的監測數據,這些數據代表了橋梁的健康狀態。將這些大量的數據樣本按某種映射關系投射到一個“超球體”內,則超球體的表面就是橋梁健康與否的分界面。

(2)在橋梁健康預警方面,可行的做法是:據橋梁特點和材料強度,設定位移監測和應力監的闡值,一旦監測到的數據超過閥值,則報警。

3 健康監測系統框架設計

本文根據現有的研究和應用,將健康監測系統分三個等級,即長期在線自動健康監測系統、定期離線健康監測系統和定期養護健康檢測系統。長期在線自動健康監測系統是最高等級的健監測系統,該系統適合于在特大跨徑復雜橋梁結構和具有重大戰略意義的關鍵橋梁上使用。該等級橋梁健康監測系統具有如下的特點:傳感器長期設在橋梁上,并通過相應技術連接在一起,構成感器子系統。各傳感器的數據采集通過健康監測統中心控制系統動態實時的下達采集指令,觸發感器的開關,實現數據采集。采集的數據經系統數據通信系統直接自動進入健康監測中央數據。橋梁管理部門和客戶可以通過Iniemet網絡遠訪問中央數據庫并進行健康診斷。

定期離線健康監測系統是長期在線自動監測系統的一種簡化,最大的區別是定期離線健康監測系統的數據采集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監測系統相比,該系統省掉了數據的自動采集設備和軟件,無需大量的數據線并避免了數據的長距離傳輸帶來的數據精度的損失。

定期養護健康檢測系統適合于一般橋梁和對整個路線沿線的所有橋梁的健康監測,該系統的功能和性質接近于一般橋梁的養護管理,可以這樣描述:橋梁管理部門購置相應的橋梁檢測設備,包括傳感器及其相應的數據采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設備都存放于實驗室,不長期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設備對所轄橋梁進行健康檢測。該系統最大的優點是可以監測多個橋梁的健康狀況,同時設備容易維護、更換和更新。

4 設計準則

橋梁健康監測系統的設計是實施橋梁健康監測的第一步。目前關于橋梁健康監測系統設計的標準、原則還沒有統一的說法。本文結合國內外已經安裝的橋梁健康監測系統的特點,探討橋梁健康設計的一些原則。

從已經安裝的橋梁健康監測系統中可以看出,這些橋梁健康監測的測點布置的數量、監測項目有很大差異。這種差異一方面來自于橋梁結構形式和所處地理環境的差異,另一方面來自于各健康監測設計的目的和投資額度的不同。本文認為,橋梁健康監測系統的設計要遵循“因橋而異、因橋制宜、經濟實用、穩定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區、不同橋梁結構形式的健康監測的內容是不一樣的。不同地區的氣候、地質環境會有很大差別,橋梁健康監測的一部分內容就包括對橋址處環境的監測,比如風、地震、溫度等。

經濟實用、穩定可靠。橋梁健康監測系統的實施費用是昂貴的,因此,投資額是制約橋梁健康監測系統規模和設備的重要因素。健康監測系統的設計應作效益一成本分析,設計出經濟實用、穩定可靠的健康監測系統。

基于以上分析,建議在橋梁健康監測系統設計時遵循以下步驟:

(l)針對具體橋梁,確定監測系統的目的和功能。

(2)分析橋梁的結構特點、環境狀況、運營情況,確定橋梁健康監測系統的監測項目。

(3)建立橋梁有限元模型進行結構靜動力分析,確定應力相對不利的位置及動力分析結果,結合工程經驗、結構特點及測點優化理論綜合確定測點布置方案。

(4)結合投資額度,廣泛調研現代測試技術的發展,確定各監測項目傳感器的選型。

5 結語

本章主要就健康監測策略分析與框架設計進行了闡述。針對不同需求,梳理了三套橋梁健康監測系統的框架,以供橋梁健康監測系統設計者和橋梁管理部門選用?？偨Y并提出了橋梁健康監測系統設計的原則和系統設計步驟建議,可供橋梁健康監測系統設計人員參考。

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