淺議橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

王蘭 王明

盡管(截止到2006年)我們國家現(xiàn)有橋梁已經(jīng)達(dá)到了50萬余座，但是有些地方的橋梁管理者對(duì)現(xiàn)有橋梁的管理仍然是“被動(dòng)式”的，也就是當(dāng)橋梁發(fā)生安全事故的時(shí)候才對(duì)橋梁進(jìn)行維護(hù)(檢測和加固)。這種被動(dòng)式的管理不可避免的會(huì)帶來橋梁安全事故的頻繁發(fā)生，如近幾年的重慶彩虹橋、宜賓小南門橋、蘇州堰月橋以及遼寧盤錦的田莊臺(tái)橋等塌橋事故。隨著橋梁管理理念的發(fā)展和橋梁檢測、健康監(jiān)測以及評(píng)估方法的進(jìn)步，使得變“被動(dòng)式”的橋梁管理為“主動(dòng)式”橋梁安全管理成為可能。

“主動(dòng)式”的橋梁管理核心是建立橋梁維護(hù)管理制度，定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(對(duì)重大橋梁安裝橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行“實(shí)時(shí)檢測”)，及時(shí)了解橋梁的安全狀況，并采取相應(yīng)的修理措施，避免安全事故的發(fā)生。

1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基本框架

一個(gè)較為完整的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括以下四個(gè)子系統(tǒng):傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)和橋梁健康評(píng)估系統(tǒng)。

1.1 傳感器系統(tǒng)

一般橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)選用的傳感器包括兩大類:一類是監(jiān)測橋梁荷載(系統(tǒng)輸入)的傳感器，一類是監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)(系統(tǒng)輸出)的傳感器。

監(jiān)測橋梁荷載的傳感器包括以下幾種:溫度計(jì)、風(fēng)速儀、空氣溫濕度計(jì)和汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)等;監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳感器包括以下幾種:應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、GPS、傾角儀、位移計(jì)、錨索計(jì)等。

根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式和工程預(yù)算的約束，不同的工程可以選擇不同的傳感器種類和數(shù)量。傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是傳感器種類和數(shù)量的選擇，重點(diǎn)是傳感器布點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般包括五種:1)通用采集儀器，主要采集電類傳感器信號(hào)，一般可針對(duì)具體的項(xiàng)目進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。2)光纖光柵解調(diào)儀，光纖傳感器是近些年來興起的傳感器種類，對(duì)于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)光纖應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)得到了日益廣泛的應(yīng)用，采集光纖傳感器信號(hào)使用光纖光柵解調(diào)儀。3)振弦采集儀，對(duì)于振弦原理設(shè)計(jì)的傳感器必須用振弦采集設(shè)備，如錨索計(jì)等。4)GPS接收機(jī)，GPS數(shù)據(jù)采集由專門的系統(tǒng)設(shè)備完成，GPS天線通過同軸電纜連接至相應(yīng)的GPS接收機(jī)。5)動(dòng)態(tài)稱重主機(jī)，WIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過高速稱重主機(jī)接收壓電傳感器和地感線圈的信號(hào)來進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)傳輸包括三個(gè)層次:1)從傳感器到采集設(shè)備的局部傳輸網(wǎng)絡(luò);2)從采集設(shè)備到橋頭交換機(jī)二級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò);3)從橋頭交換機(jī)到監(jiān)控中心的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要是與傳感器匹配的采集儀器的選擇、通道數(shù)和采集頻率的確定，以及數(shù)據(jù)傳輸方案的設(shè)計(jì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理根據(jù)處理方式、處理內(nèi)容以及處理順序的不同分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)后處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與工控機(jī)共同來完成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理是在各子系統(tǒng)采集儀上完成，包括通用數(shù)據(jù)采集儀、光纖解調(diào)儀、GPS接收機(jī)、WIM稱重主機(jī)。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)橋頭交換機(jī)通過光纖傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的工控機(jī)接收預(yù)處理后的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示。

經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸至監(jiān)控中心，在各工控機(jī)中通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，由于數(shù)據(jù)后處理涉及更為復(fù)雜的處理方式，因此有時(shí)可能需要進(jìn)行人機(jī)交互的數(shù)據(jù)處理方式。

1.4 橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)直接目的是為了橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估。橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估包括兩個(gè)層次:一個(gè)層次是基于對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析判定橋梁上是否發(fā)生了病害，并確定病害大致位置，輔以人工檢查確定病害程度和性質(zhì)。第二個(gè)層次是在上述病害下橋梁是否安全，是否需要維修加固。第一個(gè)層次是橋梁損傷識(shí)別的研究范疇;第二個(gè)層次一般有基于可靠度理論的分項(xiàng)系數(shù)評(píng)估方法和基于精細(xì)有限元分析的力學(xué)方法。橋梁健康評(píng)估系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心。橋梁健康評(píng)估系統(tǒng)主要功能是根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)估，為橋梁維護(hù)提供決策依據(jù)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來，由于發(fā)達(dá)國家橋梁嚴(yán)重退化，安全事故不斷發(fā)生和事故后果的嚴(yán)重性，工程技術(shù)人員對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測展開了積極的探索。一方面是橋梁管理系統(tǒng)的研究，美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發(fā)達(dá)國家最先開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的橋梁管理系統(tǒng)，美國從20世紀(jì)60年代起就開始使用橋梁管理系統(tǒng)，建成了大量的數(shù)據(jù)庫，以便對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)管理。另一方面是監(jiān)測系統(tǒng)的研究，到90年代國內(nèi)外許多大型橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，如日本的明石海峽大橋、丹麥的Great Belt和中國的江陰橋等。

中國香港的青馬大橋、汀九橋和汲水門橋三座橋梁同時(shí)安裝了風(fēng)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)WASHMS(Wind And Structural Health Monitoring System)，為便于集中管理，相關(guān)部門建立了一個(gè)整體監(jiān)控中心，三座橋梁共用一套整體的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)，三座橋梁的數(shù)據(jù)采集與傳輸作業(yè)的控制在監(jiān)控中心統(tǒng)一進(jìn)行，其各自的采集數(shù)據(jù)也在監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)分析。昂船洲橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SCB-WASHMS)也設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)傳輸線路，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到青馬控制區(qū)上述三個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控中心。

近年來，我國的一些大型橋梁也設(shè)計(jì)安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如廣東虎門大橋、重慶大佛寺橋、?？谑兰o(jì)大橋、南京三橋、江陰大橋和潤揚(yáng)長江大橋，以及蘇通長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)等。與國外相比，我國的這些橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在工程規(guī)模、實(shí)施水平和系統(tǒng)功能的完善上存在著不小的差距，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:

1)這些所安裝的監(jiān)測系統(tǒng)不是按結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的功能要求來設(shè)計(jì)的，對(duì)其關(guān)鍵內(nèi)容，如傳感器的布置、阻尼及非經(jīng)典阻尼的測量、模態(tài)精度與損傷識(shí)別能力間的關(guān)系、采樣率、結(jié)構(gòu)的剩余承載力評(píng)定等基本上沒有考慮，因而基本上沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的能力。這些監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)主要是各種荷載參數(shù)，雖然也量測了少量結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力和變形，但不符合損傷識(shí)別的要求。

2)到目前為止，雖然已經(jīng)建成了一些監(jiān)測系統(tǒng)，但尚未見到國內(nèi)公開發(fā)表的實(shí)際橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，更未見到這些分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)作用。

3)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)要求所有的傳感器在數(shù)據(jù)采集上具有嚴(yán)格的時(shí)間同步，這樣監(jiān)測的數(shù)據(jù)才有分析比較的價(jià)值，而目前國內(nèi)很多系統(tǒng)還沒達(dá)到這種最基本的要求。

4)大多數(shù)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是根據(jù)橋梁竣工驗(yàn)收試驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)的，基本沒有原始的動(dòng)力指紋測試內(nèi)容。而沒有原始的動(dòng)力指紋測試就談不上真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

另一方面國內(nèi)一些有實(shí)力的單位在橋梁健康監(jiān)測方面也開展了基礎(chǔ)性的科研工作，取得一系列重要成果如:1)國家攀登B項(xiàng)目“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎(chǔ)研究”。2)國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目“災(zāi)害環(huán)境下重大工程安全性的基礎(chǔ)研究”中子課題“考慮功能蛻化的重大工程結(jié)構(gòu)在災(zāi)害作用下破壞過程模擬與控制方法”(項(xiàng)目編號(hào):2002CB412709)。3)中國香港青馬、汀九、汲水門大橋風(fēng)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(WASHMS)研究。這些新的研究成果可以用來指導(dǎo)新建的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析工作。

3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的意義

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用包括:1)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，確保橋梁安全;2)及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁損傷;3)為橋梁維護(hù)管理提供技術(shù)依據(jù);4)輔助橋梁日常交通管理。

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