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桥梁健康监测技术及其发展

来自: 养护与管理公众号 收藏 分享 邀请
桥梁是交通基础设施的生命线节点工程,随着我国桥梁建设的深入,如何在运营期通过有效的管理和养护工作,有效保障桥梁的服役安全和使用性能,是21世纪桥梁的重要挑战。

传统的桥梁评估,是通过简单的人工手段进行桥梁检测和监测,然和给出相关的加固和维护建议,然而,这种技术手段已经无法满足目前桥梁养护的要求,难以有效的防范突发事件的发生。

随着信息和传感技术的发展,桥梁健康监测系统应运而生,该技术能够实时测取桥梁的服役状态,从而为准确评估桥梁性能提供数据与技术基础。重大桥梁结构的健康监测系统是改善桥梁运营状态、确保桥梁服务水平的根本措施。

目前,大型桥梁结构的健康监测理论及技术已成为桥梁工程学术界、工程界及管理部门等共同关注的焦点。

一、桥梁健康监测系统的目的及功能

桥梁健康监测系统不只是传统的桥梁检测加结构评估技术,而是被赋予了新的意义。

一般来说,桥梁健康监测需要达到如下三个目的:

1.设计验证:通过健康监测所获得的实际结构的动静力响应验证设计计算理论与结果;

2.支持养护管理决策:结合结构状态评估和损伤识别理论对健康监测所获得的实际结构的动静力响应做出技术判断,并考虑工程经济等多方面因素,得到合理的养护决策;

3.研究发展:通过健康监测所获得的实际结构的动静力响应还可为桥梁工程中的未知问题的研究提供契机,如力学理论、环境荷载的建模和控制与评估技术等。

为了实现上述监测目的,健康监测系统需要具备如下功能:及时监测,自动实时监测环境条件和桥梁响应并直观显示结果;自动预警,根据桥梁结构在荷载作用下反应的实测值与理论值间的关系,对结构的损伤情况进行识别和技术状态评估,并对结构异常紧急预警;长期连续监测,记录结构状态及长期变化趋势。

二、桥梁健康监测系统的组成与监测内容

一般情况下,桥梁结构健康监测系统包含如图1中的四个子系统,并通过网络联系工作。

这四个子系统分别是:

1.传感器系统:包括位移计、加速度计、水平仪、温度计、风速风向仪、车轴车速仪、信息放大处理器及连接介面等;

2.信息收集系统:包含信号采集、数据存储、数据传输等;

3.信息处理和分析系统:包括专业分析软件、高性能计算设备等;

4.劝评估控制系统:针对监测采集结果,结合桥梁专家意见,对监测结果进行桥梁状态的评估,并给出有关建议。以东海大桥健康监测系统为例,其具备传感器系统,数据处理系统,在线评估系统,离线评估系统及结构预警系统。

在上述监测系统下,主要对桥梁结构如下状态进行监测:正常环境与交通荷载作用下的结构物理与力学状态;桥梁附属结构和设施如支座、伸缩缝等的工作状态;结构构件耐久性;桥梁所处环境条件等。

因而,桥梁健康监测系统主要的监测内容是:气象环境如温度、湿度等;结构位移如主梁和索塔位移;构件应力和内力如钢梁应变、索力等;伸缩缝位移、支座变形、墩台沉降等;结构动力和构件疲劳等。

三、我国桥梁健康监测系统的发展概况

随着我国桥梁技术在近20年的飞速发展,我国已建成的大跨径桥梁超过100多座。大跨径桥梁的显著特点是结构轻柔,跨径大,超静定,结构状态较难识别。

而大跨径桥梁作为交通系统的核心通道,保障其安全和性能至关重要。因此,这些桥梁的建设,也对其建成后的养护和管理工作提出了更高的要求。

由于大跨径桥梁运营期间所面临的复杂环境作用,如爆炸、船撞、重载车流、极端风荷载等偶然作用,也有疲劳荷载和可变作用形成的结构耐久问题,需要有行之有效的监测系统,实时掌握桥梁的结构状态,并提出优化的、针对性的管理和维护措施,保证桥梁运营性能。基于此,桥梁健康监测系统应运而生。

目前,我国已有140余座大桥安装桥梁健康监测系统,遍及各种桥型。

总结这些桥梁的健康监测系统,主要有以下五大特点和发展趋势:

1.传感器多,经济性显著。一般而言大跨度桥梁的健康监测系统至少由100以上传感设备,其造价占比一般达到桥梁总造价的0.5%一1.0%;

2.以桥梁管理和维护为目的,桥梁监测的目的就是获得桥梁状态,以优化管理和维护措施,保障桥梁性能;

3.监测系统需具备可更换和可维护性;

4.监测系统开始延伸到施工状态,形成施工与运营一体化的桥梁监测系统;

5.虽然桥梁监测可以做到自动化和智能化,但对于监测结果的评估,还需要桥梁专家的介入,以准确评估监测结构的真实性和合理性。

在上述健康监测系统的发展状态下,探索新技术新理念,将监测获得的大数据真正用于有效的桥梁管理和维护中,非常重要。

四、桥梁健康监测的新理论和新技术

桥梁健康监测系统可以作为子系统包含于桥梁管理系统,是健康监测系统设计时应注意的新理念。现有桥梁健康监测系统一般用于单座大型桥梁,是针对单一桥梁的项目级系统,通过监测仪器和软件系统以实时监测为主。

桥梁管理系统适用于城市和公路桥梁管理,是针对桥梁群体的网络级系统,以常规检测为主。

传感器优化布设技术:减少传感器的数量,优化其布设位置对于减少数量分析工作量、提高数据分析效率来讲是一门非常重要的新技术。

全寿命集成:健康监测系统设计时应涉及全寿命周期,前伸到设计、施工阶段,后续至养护管理阶段,基于性能进行系统设计。传感技术可行性(耐久性):传感器能否耐久,并及时监测指标的变化是系统设计时考虑的重要事项。

4.1传感传输技术

从监测内容上看,传感传输领域包含变形、位移的测量,拉索锈蚀的检测,疲劳监测等的新技术。另外,传感器技术,无线传输技术,健康监测动态功耗管理技术以及状态监测可视化及评估辅助技术都属于该领域研究的新技术。

经过长期的研究与改进之后,机敏网仿生裂缝监测技术、准直点激光投射式挠度监测技术、基于GPRS寿SM的远程传输技术、桥梁健康监测动态功耗管理技术、状态监测可视化及评估辅助技术的硬件技术和软件技术都已成熟,并且已经走向市场。图2为光纤传感器示意和EM传感器示层。

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4.2数据处理、识别、评估、预警理论

数据处理新技术包含对海量数据筛选和数据质量提升、有效利用等处理技术。

损伤或状态识别:运营桥梁在施工过程中不可避免存在结构和构件的损伤,而监测系统需要识别这些损伤的位置和程度,才能判断是否对桥梁结构安全和性能形成显著影响,从而制定加固方法和养护策略。

监测系统需要有效快速地诊断损伤。目前研究的损伤识别方法大部分都是基于结构振动的,主要有频率法、频率敏感性分析法、模态准则MAC法、基于刚度矩阵的模态力误差识别法、基于柔度矩阵的识别方法等。

结构性能评估:影响桥梁结构性能的因素众多,这也是监测系统应用的关键难点。随着相关技术的发展,目前可以应用多种数理方法用于评估桥梁的结构性能,例如模糊综合评价法、神经网络法、及基于结构可靠度的方法,目的都是利用监测大数据,分析桥梁的结构性能。

预警理论方法方面,则包含预警指标、预警阈值和预警方法的确定等,这些都是判断预警是否正确、合理和准确的核心。

4.3技术与理论瓶颈

桥梁结构健康监测系统这方面的研究虽然已经取得了很大的进展,但是依然存在一些问题:

首先,桥梁是由多种材料、多样构件形成的复杂超静定结构体系,各个构件的刚度特性都不一样,这就形成了构件的应力状态、易损性、刚度及动力特性等差别很大,在受损状态下,通过监测结果,较难高效地识别损伤位置和损伤程度,也很难通过某一监测结果或者指标去评估整体结构的状态。

其次,实际桥梁的状态,可能由于施工不确定性和环境作用等因素,使得其与我们预想的结构状态存在很大差别,这就是个采用数值建模的桥梁模型并不一定能够完全反应实际的桥梁状态,这给桥梁的状态识别带来很高的难度,另外大跨径桥梁结构存在显著的非线性特征,这种非线性对于桥梁的受力和损伤分析,也是非常复杂的。

最后,目前的测试设备和传感器仍然存在寿命不稳定,抗干扰性差等问题,因此,研发高精度、高耐久性和高准确率的测试设备和传感器,对于准确获取桥梁响应具有重要意义。

随着我国桥梁建设的发展,无论是既有桥梁还是新建桥梁,对桥梁状态评估已成为桥梁面临的深刻问题。

论文探讨了我国桥梁健康监测技术的基本状况,通过对监测系统的功能、目的、监测内容等定义与分析,结合我国目前桥梁健康监测系统的发展概况,提出健康监测技术未来发展的关键方向,包括传感技术的开发和监测理论和研究,真正将健康监测系统更有效地服务于桥梁的管理和维护中。



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