解決“健康手環(huán)”適配問(wèn)題
——基于橋梁結(jié)構(gòu)安全與長(zhǎng)期性能的監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)

文/圖 中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司 慕玉坤

橋梁結(jié)構(gòu)安全和長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)作為橋梁全壽命周期過(guò)程中的一項(xiàng)重要養(yǎng)護(hù)工作，涉及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控、結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)性能演變和結(jié)構(gòu)行為預(yù)測(cè)等各個(gè)方面。現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁檢查評(píng)定、安全保護(hù)區(qū)管理、超限車(chē)輛管理和災(zāi)害防治等方面均有明確的管理技術(shù)要求，一定程度上保障了橋梁的安全運(yùn)行，但由于橋梁復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全和長(zhǎng)期性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)判斷，合理設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)十分必要。完成監(jiān)測(cè)參數(shù)的合理化設(shè)計(jì)后，再充分利用現(xiàn)有的傳感、影像和數(shù)據(jù)挖掘分析等技術(shù)，以多層級(jí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)的檢測(cè)、評(píng)估等管理手段，可為解決現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)安全與長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)提供新的解決方案。

監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要性

橋梁健康監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)是在綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)安全和長(zhǎng)期性能的影響因素后，根據(jù)橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境的差異，以監(jiān)測(cè)需求為導(dǎo)向確定監(jiān)測(cè)參數(shù)，并以監(jiān)測(cè)參數(shù)為核心獲取必要的監(jiān)測(cè)信息，再通過(guò)合理選擇監(jiān)測(cè)、評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁健康狀況的全面掌握。

斜拉橋監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)信息是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)行為、環(huán)境特征的具象化和數(shù)字化表達(dá)，理論上來(lái)說(shuō)，信息越全面，表達(dá)越充分。但在實(shí)際工作中，受經(jīng)濟(jì)條件和監(jiān)測(cè)手段等因素的制約，所獲的監(jiān)測(cè)信息往往以片面化、碎片化的形式呈現(xiàn)，因此，只有合理設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)才能確保在成本可控的前提下獲取更加全面的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)，可以快速甄別出實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)，并開(kāi)展必要的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，使之成為傳統(tǒng)檢測(cè)信息的有益補(bǔ)充，進(jìn)一步為養(yǎng)護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案時(shí)，只有通過(guò)設(shè)計(jì)合理的監(jiān)測(cè)參數(shù)，才能充分發(fā)揮傳統(tǒng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)各自的優(yōu)勢(shì)，使之成為解決信息量和獲取成本之間矛盾的有效手段及現(xiàn)有規(guī)范體系下全面掌握橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的有效途徑。因此，監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)是解決一攬子結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案的前提，是開(kāi)展后續(xù)評(píng)估工作的基礎(chǔ)。

監(jiān)測(cè)參數(shù)的科學(xué)合理化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)橋型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境因素，分析橋梁結(jié)構(gòu)存在的主要安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合管理、養(yǎng)護(hù)和科研等方面的需求，科學(xué)制定監(jiān)測(cè)目標(biāo)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)工作。監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循“目標(biāo)明確、內(nèi)容合理、參數(shù)適宜、測(cè)點(diǎn)科學(xué)、方法可靠”的總體原則。

監(jiān)測(cè)目標(biāo)

受橋梁服役年限、技術(shù)狀況和環(huán)境條件等因素影響，不同橋梁所面臨的實(shí)際管養(yǎng)需求不盡相同，監(jiān)測(cè)目標(biāo)也有所差異。通常來(lái)說(shuō)，大部分橋梁的主要需求包含構(gòu)件受力安全、突發(fā)事件感知、長(zhǎng)期性能跟蹤預(yù)測(cè)三個(gè)方面，監(jiān)測(cè)目標(biāo)的制定和細(xì)化一般應(yīng)與橋梁的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求相一致。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容

通過(guò)甄別易損構(gòu)件損傷模式和不利環(huán)境因素明確監(jiān)測(cè)內(nèi)容，常規(guī)結(jié)構(gòu)橋梁通常以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)受力和裂縫等損傷為主，斜拉橋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形和易損構(gòu)件受力為主，交通荷載、風(fēng)荷載、撞擊荷載和地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容，通常根據(jù)橋梁本身對(duì)各外部環(huán)境的敏感性研究確定。

參數(shù)設(shè)計(jì)

確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容后，往往會(huì)專門(mén)展開(kāi)監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)工作。合理設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的基本前提，監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)選擇和測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。選擇適宜的監(jiān)測(cè)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的基本前提，合理的監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇往往能起到事半功倍的效果，是監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)用、可靠的重要保障；合理的測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠在滿足監(jiān)測(cè)需求的前提下有效控制監(jiān)測(cè)成本。

監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇時(shí)，首先，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇對(duì)結(jié)構(gòu)損傷或環(huán)境變化等因素較為敏感的參數(shù)，避免部分力學(xué)性能參數(shù)由于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷或環(huán)境變化的敏感性較差，易受溫度、通行車(chē)輛等外部因素干擾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多耦合因素作用下的數(shù)據(jù)分離，導(dǎo)致在后期的數(shù)據(jù)分析處理和損傷研判過(guò)程中，難以給出明確的損傷判定結(jié)論；其次，應(yīng)考慮后期的數(shù)據(jù)處理和分析需求，盡量選擇有相可靠評(píng)估方法或評(píng)估模型的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

在監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)和監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際需要，盡量選擇在損傷變化幅度較大、作用效應(yīng)幅值變化較大的點(diǎn)位上設(shè)置測(cè)點(diǎn)，盡可能降低環(huán)境干擾，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性和利用效率。通常在測(cè)點(diǎn)布設(shè)前，應(yīng)建立橋梁有限元模型，通過(guò)仿真分析，確定最優(yōu)測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)點(diǎn)數(shù)量；為減小溫度變化等因素對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的影響，宜在結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ位置分別布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

參數(shù)設(shè)計(jì)作為監(jiān)測(cè)方案的重要環(huán)節(jié)，在參數(shù)選擇和測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合可用的監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)設(shè)備等，統(tǒng)籌考量各方面的相互制約和影響，開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)并尋求最優(yōu)解決方案。

不同橋型的監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

由于不同橋型的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特性不同，因此在選擇監(jiān)測(cè)參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的易損構(gòu)件和安全誘因等因素。針對(duì)部分橋梁結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)問(wèn)題，本文給出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇建議。

斜拉橋常用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)參數(shù)和測(cè)點(diǎn)布設(shè)

不同橋型的常用監(jiān)測(cè)參數(shù)

裝配式空心板梁橋

該類橋梁最易出現(xiàn)單板受力病害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響到橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，若發(fā)現(xiàn)鉸縫存在滲漏水等病害時(shí)，在病害根治前可通過(guò)監(jiān)測(cè)滲漏水鉸縫兩側(cè)相鄰梁板的相對(duì)位移情況，對(duì)梁板進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

帶掛孔的懸臂梁橋

該類橋梁牛腿部位容易開(kāi)裂，并誘發(fā)橋梁內(nèi)部鋼筋銹蝕和承載力下降，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，可通過(guò)監(jiān)測(cè)牛腿開(kāi)裂情況和對(duì)應(yīng)位置伸縮縫相對(duì)高差，對(duì)牛腿進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

無(wú)縱梁的中下承式拱橋

此類橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，最突出的問(wèn)題是因短吊桿的腐蝕斷裂而導(dǎo)致橋梁垮塌，可通過(guò)監(jiān)測(cè)吊桿長(zhǎng)度變化情況或鋼絲斷裂等突發(fā)情況，來(lái)掌握吊桿的內(nèi)部損傷變化情況。

肋式組合拱橋

對(duì)于雙曲拱、桁架拱等肋式組合拱橋來(lái)說(shuō)，橫向聯(lián)系薄弱和整體性差的問(wèn)題較為突出，可通過(guò)監(jiān)測(cè)拱肋間的相對(duì)位移對(duì)結(jié)構(gòu)整體性及荷載橫向分布能力進(jìn)行研判。

斜拉懸索等復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁

該類橋梁宜通過(guò)監(jiān)測(cè)塔梁空間絕對(duì)變位和索、纜內(nèi)力變化情況來(lái)掌握橋梁的整體力學(xué)性能，評(píng)估其結(jié)構(gòu)是否安全。

其他類型橋梁

對(duì)風(fēng)環(huán)境敏感的橋梁應(yīng)通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)場(chǎng)變化情況，以及橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)情況，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁可通過(guò)監(jiān)測(cè)內(nèi)部鋼筋銹蝕情況對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；凍土地區(qū)的橋梁可通過(guò)監(jiān)測(cè)地基溫度變化和橋梁豎向絕對(duì)位移來(lái)評(píng)價(jià)凍土性狀變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響；橋區(qū)附近的高坡、陡坎等與橋梁存在潛在相互作用時(shí)，可通過(guò)監(jiān)測(cè)地表絕對(duì)位移及墩柱傾斜度，監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)安全情況。

監(jiān)測(cè)方法的選擇

在監(jiān)測(cè)方法選擇上，綜合考慮橋址附近現(xiàn)場(chǎng)條件、經(jīng)濟(jì)條件、量測(cè)精度和監(jiān)測(cè)頻率等多方面因素，并根據(jù)實(shí)際需要在人工目測(cè)、尺量、儀器測(cè)量或自動(dòng)化量測(cè)、智能感知中擇優(yōu)選擇經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的監(jiān)測(cè)方法。通常來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)方法的選擇應(yīng)遵循三項(xiàng)原則：第一，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷或環(huán)境變化相對(duì)穩(wěn)定或變化緩慢，以及對(duì)監(jiān)測(cè)頻率要求相對(duì)較低時(shí)，可選擇人工輔以必要量測(cè)設(shè)備的定期監(jiān)測(cè)方式；第二，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷或環(huán)境變化速率較快時(shí)，宜采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式；開(kāi)展動(dòng)力響應(yīng)方面的監(jiān)測(cè)時(shí)，由于對(duì)監(jiān)測(cè)頻率要求較高，應(yīng)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式。

采用人工定期監(jiān)測(cè)方式時(shí)，通常需要定期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷變化情況、變位情況、內(nèi)力變化情況和周邊環(huán)境變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，結(jié)構(gòu)損傷和周邊環(huán)境變化可以通過(guò)目測(cè)、設(shè)備量測(cè)等手段獲取相關(guān)信息；結(jié)構(gòu)變位可通過(guò)建立測(cè)量控制網(wǎng)，通過(guò)人工定期量測(cè)的方式獲取相關(guān)信息；內(nèi)力變化情況可通過(guò)相應(yīng)的傳感器和配套采集儀表等定期獲取相關(guān)信息。此外，為保證量測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，測(cè)量用的水準(zhǔn)儀、全站儀、傳感器和相應(yīng)儀表等應(yīng)定期進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)，測(cè)量控制網(wǎng)應(yīng)定期進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。

環(huán)巢湖大橋 曹澤龍 攝

當(dāng)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)和管理需要明確自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式和供配電方案等。在傳感設(shè)備選擇上，應(yīng)保證傳感器量程、分辨率、精度、靈敏度、動(dòng)態(tài)頻響特性、穩(wěn)定性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等滿足測(cè)試需求；在數(shù)據(jù)傳輸方式上，應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和穩(wěn)定性；在供配電方面，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在電力供電、太陽(yáng)能供電、風(fēng)能供電和電池供電等方面擇優(yōu)選擇經(jīng)濟(jì)、適用的供電方案。此外，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)所用的儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件等應(yīng)具有良好的可靠性、開(kāi)放性、適用性和可擴(kuò)展性。

短吊桿索長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在重車(chē)數(shù)量統(tǒng)計(jì)上的應(yīng)用

總之，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是橋梁全壽命周期過(guò)程中通過(guò)人工量測(cè)和自動(dòng)化感知手段，獲取結(jié)構(gòu)安全和長(zhǎng)期性能等方面關(guān)鍵信息的一項(xiàng)重要養(yǎng)護(hù)工作，系統(tǒng)化的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)是確保監(jiān)測(cè)質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。在監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮傳統(tǒng)檢測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的有效結(jié)合，在人工檢測(cè)和監(jiān)測(cè)成果數(shù)字化、監(jiān)測(cè)信息整合、評(píng)估方法研究和數(shù)據(jù)挖掘利用等方面下功夫，為橋梁健康監(jiān)測(cè)工作的廣泛開(kāi)展提供相應(yīng)的技術(shù)支撐；應(yīng)充分考慮到不同橋梁服役年限、技術(shù)狀況和所處環(huán)境的差異，在設(shè)計(jì)中做到“因橋制宜、因地制宜、因時(shí)制宜”。