大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：大型橋梁健康監(jiān)測力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。同時(shí)，對大跨度橋梁設(shè)計(jì)理論與力學(xué)模型的驗(yàn)證以及對結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問題的調(diào)查與研究也正融入橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文首先簡要地總結(jié)十多年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，以期為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測項(xiàng)目 橋梁

　　20世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動(dòng)了大距度橋梁的發(fā)展；同時(shí)，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。

　　一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況

　　1.監(jiān)測系統(tǒng)

　　80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、英國主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋[4]以及加拿大的Confederatiot Bridge橋[5].我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8].

　　從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運(yùn)行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點(diǎn)：

　?。?）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；

　?。?）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風(fēng)、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時(shí)，試圖通過橋梁在正常車輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)；

　?。?）在通車運(yùn)營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；

　　（4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

　　這些特點(diǎn)使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動(dòng)控制裝置等）。

　　2.理論研究

　　十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評(píng)估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的深入研究和運(yùn)用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評(píng)估方法并得到廣泛的研究。人們致力于基于振動(dòng)測量值的整體性評(píng)估方法研究的另一個(gè)原因是，結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可以在橋梁運(yùn)營過程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此這一方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的潛力。

　　結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估方法可以歸結(jié)為模式識(shí)別法、系統(tǒng)識(shí)別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力響應(yīng)的評(píng)估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力.然而，盡管某些整體性評(píng)估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入實(shí)用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號(hào)噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號(hào)對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。

　　另外，從評(píng)估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評(píng)估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級(jí)評(píng)估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評(píng)價(jià)。

　　二、橋梁健康監(jiān)測新概念

　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：

　　橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；

　　橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；

　　大橋所處環(huán)境條件；等等。

　　與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。

　　然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)預(yù)測橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實(shí)現(xiàn)橋？“虛擬設(shè)計(jì)"的基礎(chǔ)。

　　還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室".盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有許多問題需要研究。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評(píng)估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。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(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評(píng)估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。

　　綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。

　　三、健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　從表1給出的兩座大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置情況可以看出，兩個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目與規(guī)模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主要是因?yàn)閷Ω鞅O(jiān)測系統(tǒng)的投資額和（或）建立各個(gè)系統(tǒng)的目的（或者說是對系統(tǒng)的功能要求）不同。因此，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際上有意或無意地遵循著某些準(zhǔn)則。

　　顯然，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評(píng)估，或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，甚至以研究發(fā)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。

　　根據(jù)功能要求和成本一效益分析可以將監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此，功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。

　　2.監(jiān)測項(xiàng)目

　　不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項(xiàng)目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估出發(fā)的，個(gè)別也兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證甚至部分監(jiān)測項(xiàng)目以橋梁問題的研究為目的。文獻(xiàn)通過對國內(nèi)多座運(yùn)營中的斜拉橋進(jìn)行大量病害調(diào)查與檢測分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估的頗具代表性的監(jiān)測項(xiàng)目。

　　如果監(jiān)測系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應(yīng)預(yù)測。另外，在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

　　目前，某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項(xiàng)目是專為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項(xiàng)目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進(jìn)行深入研究或論證。

　　抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。

　　抗震方面：包括研究各種場地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過對墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復(fù)力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

　　結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法非常重要。

　　結(jié)構(gòu)局部問題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機(jī)制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。

　　耐久性問題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

　　基礎(chǔ)：大直徑樁的采用也帶來一些設(shè)計(jì)問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計(jì)算方法不很合理。借助大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題，也是設(shè)計(jì)部門的需要。

　　四、小結(jié)

　?。?）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁運(yùn)營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。

　?。?）大型橋梁健康監(jiān)測三方面的意義反映了從事橋梁維護(hù)管理、設(shè)計(jì)咨詢和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問題。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以功能要求和效益－成本分析為基本準(zhǔn)則。此外，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過布點(diǎn)優(yōu)化分析，并且考慮到系統(tǒng)實(shí)施中的非常重要的通信問題。

　?。?）對于大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評(píng)估只是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估的一部分，不可能僅通過整體性評(píng)估來解釋橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。同時(shí)，大跨度橋梁的力學(xué)特點(diǎn)決定其安全評(píng)估的概念上和方法上不同于常規(guī)的中小橋梁。

　?。?）在跨度橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估的目的是控制大橋運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)及支持減災(zāi)決策。因此結(jié)合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的安全評(píng)估，應(yīng)該可以通過獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的基本狀態(tài)和結(jié)構(gòu)行為。定期或在偶發(fā)事件（如地震）發(fā)生后識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷和關(guān)鍵部位的變化，并且對大橋結(jié)構(gòu)生命期各階段的承載能力和抗風(fēng)、抗震能力作出客觀的定量的評(píng)估。