基于監測的橋梁智慧診斷、決策及維修

楊 通

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司上海工業化裝配化市政工程技術研究中心，上海 200125）

0 前言

上世紀90年代以來，我國公路網建設得到了迅猛發展，橋梁數量大幅增加。當前交通運輸事業朝著高速化、重載化方向發展，橋梁長期受到重型車輛的反復作用，橋面、梁體、支座病害問題日漸突出，影響車輛行駛的安全性、舒適性，橋梁維修養護壓力日益增大。一方面，現有橋梁維修管養技術主要依靠傳統檢測技術，存在效率低、可靠性差、滯后性等不足，越來越難以應對我國數量龐大的橋梁路網工程。另一方面，依賴傳統技術的橋梁大修會暫時影響甚至切斷該道路的通行能力，同時施工帶來的噪聲、粉塵以及廢水等污染源會影響周邊環境。如何快速修復橋梁并盡可能減少施工期間對交通和環境的影響是當前亟待解決的難題[1]。

基于以上兩個方面，本文旨在探討基于即時監測的橋梁智慧診斷、決策及維修解決方案。首先，通過整合一系列基于即時監測的橋梁病害診斷技術，結合智能算法、大數據技術等搭建一個智能決策平臺，利用少干擾的快速維修技術，實現對中小橋梁的智慧管養及維修。

1 中小跨徑橋梁常見病害分析

同濟路高架為一座偏南北走向的大型橋梁，位于上海繞城高速公路上，全橋共有108跨裝配式簡支空心板梁，全長2282.28m。根據《同濟路高架橋2013結構定期檢查評估報告》及現場觀測，橋梁主要病害及產生機理如下。

1.1 鉸縫病害

鉸縫破損產生原因主要有：

①重載交通；

②混凝土鋪裝過薄；

③支座脫空；

④施工質量差。

1.2 鋪裝病害

①瀝青鋪裝縱向裂縫通常由鉸縫分離引起的；

②混凝土橋面鋪裝局部破損一般是由施工或交通超載導致的；

③橋面連續處的瀝青面層橫向裂縫的形成原因主要是構造因素或施工質量。

1.3 支座病害

支座的病害有支座破損和支座脫空，支座脫空通常是施工不當導致的，單片梁的四個支座未調整至一個平面。

1.4 蓋梁病害

蓋梁裂縫主要有以下幾種成因：

①梁高較高，翼緣位于豎向受力截面的受拉區，配筋偏小；

②縱橋向的水平力作用造成側面裂縫；

③混凝土收縮應力導致的裂縫；

④超載及施工質量因素。

2 橋梁快速維修加固技術

2.1 不封交同步頂升技術

不封閉交通橋梁同步頂升技術是指在對以板梁為上部結構的橋梁進行支座更換時，所采取的一種頂升方法[2]。該方法強調橋上不封閉交通，板梁間頂升同步。頂升工藝流程如下：

圖1 頂升工藝流程圖

2.2 預應力碳板加固技術

預應力碳纖維加固混凝土結構技術的原理是通過環氧樹脂類粘結劑將碳纖維片材貼于混凝土受拉區表面，以恢復其使用性能及正截面承載能力。

圖2 預應力碳板加固蓋梁方案示意圖

2.3 高壓水射流破除舊混凝土

高壓水射流技術也稱為水力破除技術，工作原理是將經過高壓泵加壓的高速水流作用于混凝土表面，高速水流鉆入混凝土表面的微孔中，速度轉化成壓力，當壓力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土就被破碎[3]。

圖3 高壓水射流破壞混凝土過程示意圖

2.4 快速纖維混凝土維修鉸縫

快速纖維混凝土可以在混凝土澆筑后3h內達到30MPa抗壓強度，同時纖維可以有效防止混凝土收縮而導致的裂縫，適用于交通要道的快速維修。

圖4 采用快速纖維混凝土維修鉸縫

2.5 鉸縫注漿工藝

鉸縫注漿工藝原理是，首先將鉸縫形成密閉空腔，然后將環氧樹脂灌入受損鉸縫縫隙內，利用其與混凝土粘結力強、硬化速度快的優點，迅速恢復破損的鉸縫，進而恢復板梁之間協同工作能力。

3 基于監測的橋梁損傷診斷技術

20世紀90年代后期，世界范圍內興起了一股對結構監測的研究熱潮。基于監測數據進行結構損傷識別并基于損傷識別的結果進行結構的安全性評估是結構監測的主要目標之一[4]。隨著理論研究的深入以及信息技術進步，國內外的研究者提出了許多不同的基于監測數據的結構損傷識別指標和相應的損傷診斷方法，如結構的模態參數及其導出量、結構柔度、頻響函數、能量傳遞比、殘余力向量、小波包節點能量等[5]。近年來，基于即時監測的損傷識別技術逐步在工程中得到應用。

周良等人提出一種基于動應變監測的板梁鉸縫狀態安全評估技術，經過與檢測數據對比驗證，實現了對裝配式梁橋的鉸縫病害診斷及識別[6]；文章《Study on a measurement index of transverse collaborative working performance of prefabricated girder bridges》，提出了描述橋梁的各片梁之間的橫向協同工作性能的一個指標：

當橋梁上的交通流具有穩定的統計特性時，相關系數ρij會隨著樣本長度的增加而統計穩定于某一特定值。對于裝配式空心板梁，影響相關系數ρij的主要因素包括鉸縫剛度以及彈性模量，由于同一跨的空心板梁彈性模量基本一致，因此，此時的應變相關系數就成為各片預制梁橫向協同工作性能的指標。據此，首先搭建一個基于應變傳感器的監測系統，然后利用監測系統采集的不同梁片應變數據，分析相鄰兩片梁數據的線性關系。然后通過與檢測報告對比論證，證明該指標可以識別板梁鉸縫病害。

4 橋梁智慧管養系統

改革開放以來，我國重大交通基礎設施的建設發展迅速，至2010年底公路橋梁總數達到了65萬座，已經成為最大的公路橋梁國家。隨著國家交通基礎設施建設步伐的加快，這些橋梁工程不僅對橋梁的建設技術提出更高的需求，而且對橋梁建成后的維護管理提出了巨大的需求。傳統的橋梁管養中存在的被動養護、粗放管理、技術落后等難題，在新技術、新工藝迅速發展的環境下，智能化的橋梁管理理念與方式應運而生，在橋梁破損狀況檢測、健康狀態監測、典型病害維修、惡劣天氣運維、日常養護管理等領域都有了很大的進步[7]。然而，針對各個領域的研究大部分并沒有形成一個完善的技術體系，如何搭建一個智慧化綜合管養平臺，實現對橋梁結構智慧檢測、智能評估以及快速維修成為非常值得嘗試和研究的課題。

基于監測的橋梁智慧管養系統，首先需要一個監測系統實現對結構、交通環境的實時監測，其次整合一類基于監測的結構診斷及評估技術，最后結合少干擾、快速維修技術，實現對橋梁工程的智慧管養。其核心組成如下。

圖5 橋梁智慧管養系統基本組成

決策系統是橋梁智慧管養系統的核心。首先，決策系統是由一類基于即時監測的損傷診斷技術構成，并且需要根據工程實踐逐步完善，以實現對橋梁常見病害的全覆蓋。其次，由于環境噪聲的存在，基于確定性思想的結構損傷診斷方法尚難以取得滿意的效果，因此決策系統的完備還有賴于人工智能算法系統及專家支持系統的補充。智能算法是隨著人工智能、仿生學的研究進展，人們從不同的角度出發對生物系統及其行為特征進行模擬，進而設計出的如進化算法、免疫算法、蟻群算法以及粒子群算法等通用性較強的智能方法。智能算法尤其適用于工程中具有約束條件多、非線性嚴重的決策問題。近年來，國內外學者采用各種改進的智能優化算法應用于工程實際中，取得了良好的效果[8]。

5 結語

本文根據調查分析總結了中小橋梁常見病害及形成機理，介紹了一類基于監測的損傷診斷技術、橋梁快速維修技術，探討了基于監測的智慧管養系統的基本框架。橋梁智慧管養系統依賴于一系列結構監測技術，通過數據處理及分析對橋梁常見病害診斷及評估，然后結合面向未來的快速維修技術，實現橋梁工程的智慧管養。目前，基于監測的結構損傷識別技術還遠遠不能覆蓋橋梁病害，有賴于進一步深入研究。