公路橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警研究簡(jiǎn)述

李思陽(yáng)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

橋梁在建造和使用過(guò)程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、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(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。近年來(lái)，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(cè)措施和必要的維修、養(yǎng)護(hù)措施是重要原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對(duì)現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來(lái)。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、信號(hào)采集與分析技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)的研究在近些年來(lái)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。

1 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)研究

1.1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常嚴(yán)重時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁的養(yǎng)護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)[2]。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科、多組成、多功能的系統(tǒng)，以橋梁檢測(cè)/監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，輔以信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)分析、損傷識(shí)別、可靠性評(píng)估等多種手段，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康與安全評(píng)估，達(dá)到安全預(yù)警的目標(biāo)。橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)[3]。

近二十年來(lái)，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的整體性評(píng)估和損傷識(shí)別上。盡管在一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)上，一些整體性評(píng)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(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。原因主要幾點(diǎn)：

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

(2)監(jiān)測(cè)信息不完備。

(3)測(cè)試方式的單一性。

(4)測(cè)量精度難以保證且測(cè)量信號(hào)易受到外界干擾。

(5)橋梁結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)高且測(cè)量信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感度低。

1.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)也稱為橋梁信息管理系統(tǒng)，其主要的作用和功能簡(jiǎn)言之就是記錄橋梁信息并便于橋梁做日常檢查、養(yǎng)護(hù)、管理。系統(tǒng)包含橋梁基本數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，橋梁損傷評(píng)價(jià)系統(tǒng)以及橋梁維修管理計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng)。3個(gè)系統(tǒng)相輔相成，且各自獨(dú)立使用，系統(tǒng)使用者根據(jù)不同對(duì)象的檢測(cè)需要可從任意系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行程序。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包含橋梁基本信息系統(tǒng)(設(shè)計(jì)、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(chǔ)存了海量的橋梁基本信息數(shù)據(jù)用于對(duì)橋梁做日常管理。通過(guò)該系統(tǒng)可以檢索和瀏覽橋梁的基本數(shù)據(jù)。這些存儲(chǔ)在系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)可以為損傷、檢查、維修、加固評(píng)價(jià)以及制訂維修管理計(jì)劃提供支持。

(2)檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)把各種檢測(cè)得到數(shù)據(jù)(應(yīng)力、應(yīng)變、位移、環(huán)境變化)制作成圖片、圖表等形式，按時(shí)間順序記錄存檔這些信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的是否收到損傷。

(3)維修、加固記錄系統(tǒng)：當(dāng)橋梁曾經(jīng)受過(guò)維修、加固時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)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(jì)有效維修加固橋梁的可靠依據(jù)。

2 公路橋梁安全預(yù)警研究

2.1 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)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(hù)顯然已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)。橋梁工程師們也一直在探討并研究“自動(dòng)化”的橋梁檢測(cè)評(píng)定與養(yǎng)護(hù)決策體系。主要針對(duì)大型橋梁的“健康監(jiān)測(cè)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(fèi)用高、維護(hù)困難等問(wèn)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(duì)優(yōu)勢(shì)的中小跨徑橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測(cè)內(nèi)容與評(píng)判體系”。

對(duì)于常規(guī)跨徑的公路橋，橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合具體的橋梁特點(diǎn)，優(yōu)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置，歸納起來(lái)通常對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(1) 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)：如對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)位移、振動(dòng)加速度等。

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

(3) 橋梁環(huán)境參數(shù)：如測(cè)量地脈動(dòng)、風(fēng)向、風(fēng)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(kuò)展等。

2.2 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)估體系

在公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)中，需要在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)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(kù)、專家知識(shí)庫(kù)、橋梁運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀條件等，依靠盡可能少的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)并與橋梁相應(yīng)的評(píng)估閾值體系進(jìn)行對(duì)比分析，能夠?qū)蛄旱倪\(yùn)營(yíng)安全性等做出準(zhǔn)確的評(píng)估。安全預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)估體系主要涉及評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值3個(gè)主要內(nèi)容。當(dāng)監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)超出相應(yīng)閾值時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)橋梁安全預(yù)警。

橋梁運(yùn)營(yíng)安全性評(píng)估層次橋梁運(yùn)營(yíng)安全性評(píng)估分監(jiān)測(cè)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的直接評(píng)估、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化量評(píng)估兩個(gè)層次。直接評(píng)估是將某一時(shí)段實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，將其與理論計(jì)算值或相應(yīng)的規(guī)范限值等進(jìn)行對(duì)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(shí)間的變化量評(píng)估，是將多次監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的結(jié)果同初始值對(duì)比，分析其變化量是否超越對(duì)應(yīng)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(píng)定流程圖如圖1所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評(píng)定流程

2.3 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)方法與理論

采用高靈敏度傳感器等測(cè)記橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，再實(shí)施信號(hào)處理分析出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，以隨機(jī)環(huán)境荷載為激振的動(dòng)力測(cè)試方法也稱為脈動(dòng)法。外加荷載激振方法主要有：強(qiáng)迫正弦激振法、沖擊激振、行車荷載激振等。而在實(shí)際的橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)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(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的各類動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)，并可以從車輛激振的余振信號(hào)中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的阻尼比。動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)原理

在橋梁結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)輔助決策系統(tǒng)性能評(píng)定中，同樣需要對(duì)橋梁實(shí)施激振，而考慮到現(xiàn)場(chǎng)的條件并減少人工作業(yè)等。因此，監(jiān)測(cè)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(dòng)化”管養(yǎng)。

2.4 公路橋梁安全預(yù)警測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置

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

(1)簡(jiǎn)支梁：可按照4分跨的間距布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)并包含支座處的測(cè)點(diǎn)。跨度相對(duì)較大或精度要求較高簡(jiǎn)支梁可按6分跨布置。

(2)連續(xù)梁： 2跨連續(xù)梁可參照簡(jiǎn)支梁2跨同時(shí)布置。3跨及以上時(shí)，較大跨徑的主跨可按照8分跨的間距布置測(cè)點(diǎn)，邊跨按8分跨的間距布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)并包含各墩頂處的測(cè)點(diǎn)?？缍认鄬?duì)較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(cè)點(diǎn)可根據(jù)跨度的大小，可按照8分跨的間距布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)并包含拱腳處的測(cè)點(diǎn)?？缍认鄬?duì)較大或精度要求較高簡(jiǎn)支梁可按16分跨布置。

對(duì)于每個(gè)截面，測(cè)點(diǎn)布置中，自振測(cè)點(diǎn)應(yīng)考慮豎向與橫向各一個(gè)測(cè)點(diǎn)；其他動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)應(yīng)不少于3個(gè)，以保證測(cè)點(diǎn)的可對(duì)比性。

3 結(jié)論

橋梁數(shù)量越來(lái)越龐大，隨著時(shí)間的推移橋梁病害越來(lái)越顯著，威脅公路交通安全，傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修工作已經(jīng)難以適應(yīng)目前的形勢(shì)。在既有“橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)，提出適合公路上數(shù)量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的中小跨徑橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測(cè)內(nèi)容與評(píng)判體系”。在該系統(tǒng)中，以“自動(dòng)化”的橋梁監(jiān)測(cè)為主，輔以人工檢測(cè)，并基于有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)、評(píng)估及輔助決策信息化管理。在基于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全性評(píng)估中，提出以動(dòng)測(cè)參數(shù)直接評(píng)定、參數(shù)變化量評(píng)定以及綜合評(píng)定的方法，再結(jié)合人工檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)橋梁性能準(zhǔn)確評(píng)定。