公路橋梁健康監(jiān)測與安全預警研究簡述

李思陽

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結(jié)構(gòu)各部分產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。近年來，陸續(xù)地出現(xiàn)了一些重大橋梁事故。這些事故與很多因素有關(guān)，其中缺乏行之有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護措施是重要原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、信號采集與分析技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)安全預警系統(tǒng)的研究在近些年來已經(jīng)成為國內(nèi)外工程界和學術(shù)界關(guān)注的熱點[1]。

1 公路橋梁健康監(jiān)測研究

1.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常嚴重時發(fā)出預警信號，為橋梁的養(yǎng)護維修和管理決策提供依據(jù)與指導[2]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個多學科、多組成、多功能的系統(tǒng)，以橋梁檢測/監(jiān)測為基礎(chǔ)，輔以信號處理、結(jié)構(gòu)分析、損傷識別、可靠性評估等多種手段，對結(jié)構(gòu)進行健康與安全評估，達到安全預警的目標。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[3]。

近二十年來，對于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的整體性評估和損傷識別上。盡管在一些簡單的結(jié)構(gòu)上，一些整體性評估技術(shù)已經(jīng)取得了成功，但這并不能令研究人員放心地將該技術(shù)應用于大型復雜結(jié)構(gòu)。原因主要幾點：

(1)結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的隨機性和非結(jié)構(gòu)因素的干擾。

(2)監(jiān)測信息不完備。

(3)測試方式的單一性。

(4)測量精度難以保證且測量信號易受到外界干擾。

(5)橋梁結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)高且測量信號對結(jié)構(gòu)損傷敏感度低。

1.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫也稱為橋梁信息管理系統(tǒng)，其主要的作用和功能簡言之就是記錄橋梁信息并便于橋梁做日常檢查、養(yǎng)護、管理。系統(tǒng)包含橋梁基本數(shù)據(jù)庫管理功能，橋梁損傷評價系統(tǒng)以及橋梁維修管理計劃優(yōu)化系統(tǒng)。3個系統(tǒng)相輔相成，且各自獨立使用，系統(tǒng)使用者根據(jù)不同對象的檢測需要可從任意系統(tǒng)開始執(zhí)行程序。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含橋梁基本信息系統(tǒng)(設(shè)計、施工、環(huán)境、地理位置等)，橋梁檢查記錄系統(tǒng)和維修加固記錄系統(tǒng)。

(1)橋梁基本信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)儲存了海量的橋梁基本信息數(shù)據(jù)用于對橋梁做日常管理。通過該系統(tǒng)可以檢索和瀏覽橋梁的基本數(shù)據(jù)。這些存儲在系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)可以為損傷、檢查、維修、加固評價以及制訂維修管理計劃提供支持。

(2)檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)把各種檢測得到數(shù)據(jù)(應力、應變、位移、環(huán)境變化)制作成圖片、圖表等形式，按時間順序記錄存檔這些信息，實時監(jiān)測橋梁的是否收到損傷。

(3)維修、加固記錄系統(tǒng)：當橋梁曾經(jīng)受過維修、加固時，該系統(tǒng)會記錄該類數(shù)據(jù)并制作成文檔。系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)包括以各類形式記錄的工程內(nèi)容，可以作為今后如何經(jīng)濟有效維修加固橋梁的可靠依據(jù)。

2 公路橋梁安全預警研究

2.1 公路橋梁安全預警監(jiān)測內(nèi)容與體系研究

鑒于目前公路橋梁管養(yǎng)任務(wù)繁重，傳統(tǒng)的人工養(yǎng)護顯然已經(jīng)難以適應當前的形勢。橋梁工程師們也一直在探討并研究“自動化”的橋梁檢測評定與養(yǎng)護決策體系。主要針對大型橋梁的“健康監(jiān)測系統(tǒng)”已經(jīng)有一定研究成果，但存在難以適用于中小跨徑橋梁、系統(tǒng)建設(shè)費用高、維護困難等問題。在此，在傳統(tǒng)的橋梁檢查技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究適合公路上數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢的中小跨徑橋梁的“安全預警監(jiān)測內(nèi)容與評判體系”。

對于常規(guī)跨徑的公路橋，橋梁安全預警監(jiān)測系統(tǒng)應該結(jié)合具體的橋梁特點，優(yōu)化監(jiān)測內(nèi)容與測點布置，歸納起來通常對以下幾個方面進行監(jiān)測。

(1) 橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應：如對結(jié)構(gòu)動態(tài)應力、動態(tài)位移、振動加速度等。

(2) 橋梁結(jié)構(gòu)的長期準靜態(tài)幾何變位：如墩臺變形或基礎(chǔ)沉降等。

(3) 橋梁環(huán)境參數(shù)：如測量地脈動、風向、風速和溫度等。

(4) 通行橋梁的荷載參數(shù)：如車輛軸重。

(5) 橋梁特定構(gòu)件：如吊桿力、支座反力或位移、裂縫擴展等。

2.2 公路橋梁安全預警監(jiān)測評估體系

在公路橋梁安全預警監(jiān)測評估系統(tǒng)中，需要在監(jiān)測數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合橋梁既有的信息如數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、橋梁運營現(xiàn)狀條件等，依靠盡可能少的監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建相應的評估指標并與橋梁相應的評估閾值體系進行對比分析，能夠?qū)蛄旱倪\營安全性等做出準確的評估。安全預警監(jiān)測評估體系主要涉及評價指標的構(gòu)建、評價方法、評價指標閾值3個主要內(nèi)容。當監(jiān)測中的數(shù)據(jù)超出相應閾值時，應及時啟動橋梁安全預警。

橋梁運營安全性評估層次橋梁運營安全性評估分監(jiān)測與檢測數(shù)據(jù)的直接評估、監(jiān)測與檢測數(shù)據(jù)隨時間的變化量評估兩個層次。直接評估是將某一時段實測結(jié)果數(shù)據(jù)，將其與理論計算值或相應的規(guī)范限值等進行對比分析，判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、行車適用性及耐久性等。隨時間的變化量評估，是將多次監(jiān)測與檢測的結(jié)果同初始值對比，分析其變化量是否超越對應的均方差限值等，并用以判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、行車適用性的劣化情況。中小跨徑橋梁綜合評定流程圖如圖1所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評定流程

2.3 公路橋梁安全預警監(jiān)測方法與理論

采用高靈敏度傳感器等測記橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動響應信號，再實施信號處理分析出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，以隨機環(huán)境荷載為激振的動力測試方法也稱為脈動法。外加荷載激振方法主要有：強迫正弦激振法、沖擊激振、行車荷載激振等。而在實際的橋梁動荷載試驗中，通常以載重車輛以一定的速度通行橋面，在指定位置跳車、剎車激振，測試橋梁結(jié)構(gòu)的各類動力時程響應，并可以從車輛激振的余振信號中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的阻尼比。動力測試系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 動力測試系統(tǒng)原理

在橋梁結(jié)構(gòu)的安全預警監(jiān)測系統(tǒng)與養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)性能評定中，同樣需要對橋梁實施激振，而考慮到現(xiàn)場的條件并減少人工作業(yè)等。因此，監(jiān)測中的激振主要是考慮橋梁自然使用狀態(tài)下的環(huán)境荷載以及橋上通行荷載為激振源，更適合數(shù)量龐大的橋梁“自動化”管養(yǎng)。

2.4 公路橋梁安全預警測點優(yōu)化布置

在實際梁的動力測點布置中，根據(jù)上述理論分析結(jié)果，并結(jié)合實際橋梁的情況，在橋梁的縱向，具體的測試截面布置方法如下。

(1)簡支梁：可按照4分跨的間距布置測點，測點并包含支座處的測點?？缍认鄬^大或精度要求較高簡支梁可按6分跨布置。

(2)連續(xù)梁： 2跨連續(xù)梁可參照簡支梁2跨同時布置。3跨及以上時，較大跨徑的主跨可按照8分跨的間距布置測點，邊跨按8分跨的間距布置測點，測點并包含各墩頂處的測點?？缍认鄬^小或精度要求并較高連續(xù)梁主跨可按4分跨或6分跨布置。

(3)拱橋：自振特性測點可根據(jù)跨度的大小，可按照8分跨的間距布置測點，測點并包含拱腳處的測點?？缍认鄬^大或精度要求較高簡支梁可按16分跨布置。

對于每個截面，測點布置中，自振測點應考慮豎向與橫向各一個測點；其他動態(tài)測點應不少于3個，以保證測點的可對比性。

3 結(jié)論

橋梁數(shù)量越來越龐大，隨著時間的推移橋梁病害越來越顯著，威脅公路交通安全，傳統(tǒng)的養(yǎng)護維修工作已經(jīng)難以適應目前的形勢。在既有“橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)，提出適合公路上數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢的中小跨徑橋梁的“安全預警監(jiān)測內(nèi)容與評判體系”。在該系統(tǒng)中，以“自動化”的橋梁監(jiān)測為主，輔以人工檢測，并基于有關(guān)技術(shù)實現(xiàn)橋梁檢測、評估及輔助決策信息化管理。在基于現(xiàn)場動態(tài)測試的橋梁結(jié)構(gòu)運營安全性評估中，提出以動測參數(shù)直接評定、參數(shù)變化量評定以及綜合評定的方法，再結(jié)合人工檢測評定結(jié)果，實現(xiàn)橋梁性能準確評定。