橋梁結構安全監測技術與應用

文/張進 中國建筑東北設計研究院有限公司 遼寧沈陽 110003

1、橋梁結構的安全監測

1.1 橋梁結構的狀態監測

橋梁結構的狀態檢測分為連續監測和定期監測。主要監測內容包括表面外觀監測、強度監測、性能趨勢監測、溫度監測、聲學監測和振動監測。對于不同的監測對象，橋梁結構監測的物理參數也因其工作性能控制因素而不同。振動和噪聲檢測在橋梁檢測中應用最廣泛。對于一些大型橋梁，強度監測、振動監測和外觀監測通常是主要目標。當監測橋梁結構時，為了保證監測數據的準確性，技術人員一定要嚴格監測對象的選擇，通常情況下，應該選擇靈敏度較高的特征參數作為監測數據。

1.2 橋梁結構的病害診斷

1.2.1 模式識別方法，使用這種診斷方法需要離線分析和在線診斷。所謂離線分析是指通過離線分析確定能夠表達結構狀態的特征向量集和由特征向量集描述的疾病模式向量，從而形成疾病的基本模式集。在線診斷需要實時提取結構狀態的特征向量，并通過判別函數分離和定位橋梁結構疾病。

1.2.2 專家系統法，該方法通過該領域一些專家的觸覺、聽覺、嗅覺和視覺獲得一些客觀事實，然后根據橋梁結構和疾病史判斷橋梁疾病的位置和原因。這種診斷方法特別適用于一些復雜結構的橋梁疾病故障診斷。

1.2.3 模糊數學法，當系統負載不確定或不清楚時，可以用模糊集來描述它，技術人員可以通過模糊聚類分析將模糊集劃分為不同級別的子集，以識別疾病最可能屬于的子集。

1.2.4 人工神經網絡法，這種診斷方法在橋梁結構病害診斷時分為兩個階段，首先是學習階段，技術人員需要選擇合適的網絡結構和模型，同時借助一定的學習算法，反映系統的動態特征以及干擾影響的變量作為神經網絡的輸入，對應的狀態編碼是期望輸出，形成輸入/期望輸出的樣本，進而確定神經網絡的閾值和權值，在學習收斂之后再凍結神經網絡的閾值和權值。診斷階段是使訓練好的神經網絡處于回想狀態，對于給定的輸入，產生相應的輸出，通過輸出與狀態編碼之間的比較，確定病害。

1.2.5 是對比診斷法，這種診斷方法應用最廣泛。技術人員首先通過初步統計歸納、計算和分析確定與每個狀態一致的標志，最后將這些標志與參考模型進行比較，以獲得橋梁結構的狀態。

2、橋梁結構變形和應力監測

2.1 橋梁結構應變(溫度)監測

橋梁結構應變監測采用智能表面數碼弦式應變計進行測試，關鍵截面應力(溫度)采用JMZR-2000無線自動綜合監測系統進行遠程無線監測，可確保數據采集的連續性。JMZR-2000型自動化綜合測試系統是一種分布式全自動靜態網絡數據采集系統，通過不同的數據傳輸方式與采集模塊(MCU)聯系，完成系統管理、系統參數設定、指揮系統的指令下達與數據實時采集、定時測量數據的上載傳輸、數據分析與處理、數據庫管理等功能。

2.2 結構變形監測

為保證觀測結果的準確，減少數據離散，橋梁結構變形監測堅持“四固定”原則，即固定主要觀測人員、固定主要觀測設備、固定觀測路線和固定數據處理方法。橋梁結構變形監測采用徠卡TS30超高精度全站儀，同時配備永久性觀測棱鏡及反射貼片，其測點位移測量精度：角度測量精度0.5″;距離精度0.6mm+1ppm。歷次觀測時以墩頂截面固定點作為臨時基準點，以附合(閉合)路線觀測各監測點高程相對差值。測點的初測高程測量兩次并取其平均值。監測頻率為每個季節各一次。對跨中測點每次連續監測24h，每1h間隔測量一次。

3、橋梁監測技術的新發展

3.1 橋梁撓度監測技術

GPS法。類似GPS橋梁位移監測，這時只是通過GPS差分定位待測點的坐標計算撓度。系統也是由基準站、監測站和通信系統組成，同時選取多顆衛星作為測量基準，以提高監測效率。

傾角儀法。在橋面縱向上不同的被測點，安裝可以根據電壓和測量物傾斜角度的比例關系來測量角度的傾角儀，測得不同點的傾斜角度，再用擬合撓度曲線積分和最小二乘法求出不同點的撓度值。

激光圖像撓度測量方法。監測系統采用由固定于橋體的光源發出激光束到標靶，再用面陣CCD成像，圖像采集卡采集圖像，并將數據傳送到計算機進行圖像處理和計算，也就是通過CCD傳感器之間的不同比例關系得出橋梁撓度值。

3.2 橋梁位移監測技術

GPS橋梁位移監測。它是利用導航衛星獲得相位差分（RTK），實時測量橋梁位移。這一橋梁位移監測系統包括接收衛星差分信息的GPS基準站、可實時差分后測得站點三維空間坐標的GPS監測站和通信系統。然后由監控中心進行橋梁位移計算。

GPS橋梁位移監測系統測量自動化程度高，受大氣、天氣因素影響較小，GPS定位速度快、精度高。

3.3 橋梁其他方面的監測技術

橋梁裂縫采用紅外熱像儀檢測技術或神經靜脈仿生裂縫監測方法進行檢測。紅外熱像儀將紅外輻射轉換成可見的熱圖像，然后分析其特征以獲得目標表面溫度分布。當橋梁破裂或損壞時，發射的紅外線不同于周圍的紅外線，橋梁的裂縫和損壞部分可以通過熱成像來了解。神經靜脈仿生裂縫監測方法是在橋梁的某個部位連接金屬絲網，當裂縫出現時，由中間處理器判斷和確定裂縫的位置和長度。

結語：

橋梁結構監測主要測試橋梁結構變形、應變和裂縫變化等指標，通過儀器測試和人工驗證對關鍵部件進行監測，確定橋梁結構的整體運行狀態和局部裂縫的變化，預測其變化趨勢和規律，通過現場測量和檢測整理和分析相關數據，根據現行規范評估目標橋梁結構的狀態，為維護決策提供支持。通過對重點部位的自動化連續監測技術的應用，填充了人工檢查不能覆蓋的時段，能夠及時發現問題解決問題，為橋梁運營安全保駕護航。