橋梁健康監(jiān)測技術(shù)研究
2015-06-24
引言
橋梁的生命過程一般包括規(guī)劃與論證、設(shè)計、施工、運營管理以及養(yǎng)護(hù)維修等幾個階段，以往人們往往只關(guān)注設(shè)計與施工階段，但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(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)各部分在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。由于缺乏對橋梁的科學(xué)監(jiān)測與管理，橋梁的健康狀況信息得不到及時反饋，國內(nèi)外，因橋梁的突然倒塌與破壞造成人車墜毀的重大事故屢見不鮮，不僅影響了交通還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在這種情況下，人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命才逐漸關(guān)注起來，尤其是隨著橋梁分析理論、施工技術(shù)、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁的結(jié)構(gòu)越來越柔，跨度越來越大，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測就顯得尤為重要。本文首先概述了橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的概念及重要意義，然后對其系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用實例也作了簡要介紹。
橋梁健康監(jiān)測技術(shù)簡介
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)（Bridge Health Monitoring System，BHMS）是一個融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代檢測技術(shù)和結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)、安全性評估技術(shù)等的新興技術(shù)。1997年，Housner等對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測進(jìn)行了定義：“在現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)的無損檢測和分析，其目的是：如果有損傷，則進(jìn)行損傷識別、確定損傷的位置、估計損傷的嚴(yán)重程度并評價損傷對結(jié)構(gòu)影響后果”。即一個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)必須同時能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測和狀況評估。
目前，大型橋梁的健康監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)與維修得不到應(yīng)有的重視，往往是在出現(xiàn)問題后才亡羊補牢。傳統(tǒng)的檢測方法由于其滯后性、效率低，造成橋梁管理成本的提高與資源配置的不合理，已跟不上橋梁發(fā)展的需求。在這種情況下，建立橋梁健康監(jiān)測與安全評定系統(tǒng)，能夠大大提高檢測效率，實時掌握橋梁狀態(tài)變化，評價橋梁的承載能力和使用功能，以及橋梁的安全可靠性，其意義在于：
及時把握橋梁結(jié)構(gòu)運營階段的工作狀態(tài)，識別結(jié)構(gòu)損傷以及評定結(jié)構(gòu)的安全、可靠性與耐久性；
為運營、維護(hù)、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計更加合理、經(jīng)濟(jì)；
驗證橋梁設(shè)計建造理論與方法，完善相關(guān)設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程，提高橋梁設(shè)計水平和安全可靠度，保障結(jié)構(gòu)的使用安全，具有重要的社會意義、經(jīng)濟(jì)價值和廣泛的應(yīng)用前景。
系統(tǒng)研究方法分析
橋梁由完好到破壞是一個逐步損傷演變的過程，直接源于環(huán)境有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、地震、風(fēng)及各種人為因素的影響，以及材料自身性能變化等結(jié)構(gòu)損傷的存在。1971年，美國制定了國家橋梁檢測標(biāo)準(zhǔn)（NBIS），提供了檢測方法的細(xì)節(jié)、檢測時間間隔和檢測人員資格的統(tǒng)一指導(dǎo)，隨后世界各國在橋梁檢測方面都有了很大的發(fā)展。
目前，通常從三個方面對橋梁損傷信息進(jìn)行監(jiān)測：風(fēng)、車輛、溫度、壓力等荷載等環(huán)境作用；利用無損檢測技術(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、疲勞等局部響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測；位移、速度、加速度、撓度、索力、振動特性、狀態(tài)反應(yīng)等結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)情況。
在整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中，各類高性能智能傳感元件、信號采集與通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理與動態(tài)管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、安全預(yù)警與可靠性預(yù)測系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。
結(jié)語
隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)和計算機通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，橋梁綜合健康監(jiān)測技術(shù)越來越趨于智能化、實時化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化。但是目前的檢測系統(tǒng)也普遍存在一些技術(shù)問題，如缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)評估標(biāo)準(zhǔn)，隨著信息需求量的增多，監(jiān)測指標(biāo)體系越來越龐大，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點就成了目前研究的熱點；橋梁工程自身體積大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動水平，動態(tài)響應(yīng)易受環(huán)境狀態(tài)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等影響，目前還沒有一個損傷指標(biāo)可以全面、敏感地反映橋梁損傷狀態(tài)。
