大跨度橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估研究展望

吳來義 丁幼亮 王高新

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050； 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

大跨度橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估研究展望

吳來義1丁幼亮2王高新2

(1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050； 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

針對大跨度公路、鐵路橋梁的特點，介紹了國內(nèi)外大跨度鐵路、公路橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估進展，對現(xiàn)有的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了評價，總結(jié)了目前橋梁健康監(jiān)測存在的不足，并展望了大跨度公路、鐵路橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展方向。

大跨度，公路橋梁，鐵路橋梁，健康監(jiān)測

1 橋梁健康監(jiān)測的意義

交通運輸是一個國家的經(jīng)濟命脈，而公路和鐵路則是使交通運輸能夠暢通無阻的重要載體，“經(jīng)濟要發(fā)展，交通必先行”，已成為全社會的基本共識。自從20世紀80年代起，我國已持續(xù)進行了大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完成了數(shù)萬億的投資。公路和鐵路的建設(shè)規(guī)模和運營里程已經(jīng)名列世界前茅，作為公路和鐵路大動脈連接的關(guān)鍵結(jié)點——橋梁，更是取得了舉世矚目的成就。截至2013年年底，我國公路橋梁已達73.1萬座，鐵路橋梁已超過6.5萬座，均為世界第一。

雖然我國橋梁工程實踐已取得了輝煌的成就，但是橋梁設(shè)計、管理水平和安全評定方法等相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究與世界發(fā)達國家相比還存在一定的差距?？缭绞桨l(fā)展也暴露出了諸多問題，如設(shè)計過于超前、施工技術(shù)運用及新材料不夠成熟，重建設(shè)、輕基礎(chǔ)理論研究，使一大批橋梁存在先天的結(jié)構(gòu)性缺陷。因此，采取有效的手段和安全措施來保障大跨橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、完整性和耐久性，已迫在眉睫[1]。

2 大跨度公路橋梁健康監(jiān)測研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

早在20世紀50年代，橋梁的健康運營與監(jiān)測管理已經(jīng)受到重視，但迫于當(dāng)時的儀器設(shè)備和計算機技術(shù)水平，一體化的智能橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)并未成為現(xiàn)實；隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，監(jiān)測儀器及系統(tǒng)的逐漸成熟，橋梁結(jié)構(gòu)的大空間大跨度使得業(yè)內(nèi)對橋梁健康監(jiān)測的研究日趨火熱。國外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施應(yīng)用可以追溯到20世紀80年代，英國對總長522 m的連續(xù)鋼構(gòu)Foyle橋安裝了長期監(jiān)測儀器和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是最早的較為完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測研究車輛荷載、風(fēng)和溫度環(huán)境荷載對大橋動力響應(yīng)的影響[2]。美國對威斯康辛有65年歷史的提升式橋Michigan Street橋安裝了世界上第一套全橋遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測即將達到設(shè)計壽命周期的該橋梁裂縫擴展情況，與此同時對佛羅里達州的Sunshine Skyway橋安裝了500多個傳感器[3]。瑞士在Siggenthal混凝土橋的建設(shè)過程中預(yù)安裝由58個光纖應(yīng)變傳感器、8個溫度傳感器和2個傾角儀組成的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測施工過程中和以后運營期的屈曲、變形和位移[4]。丹麥在20世紀90年代曾對總長1 726 m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及運營首年的監(jiān)測，目的是檢查關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，監(jiān)測施工危險階段以及獲取開發(fā)監(jiān)控維護系統(tǒng)所必需的監(jiān)測數(shù)據(jù)，另外在主跨1 624 m的Great Belt East懸索橋上安裝健康系統(tǒng)，并嘗試把極端記錄與正常記錄分開處理以期縮小數(shù)據(jù)存量。挪威在主跨530 m的Skarnsnde斜拉橋上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)來對風(fēng)、加速度、傾斜度、應(yīng)變、溫度、位移進行全自動監(jiān)測[5]。

我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用起步相對較晚，依托我國20世紀90年代大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大環(huán)境，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在我國得到了快速發(fā)展和較廣泛的應(yīng)用。中國江蘇潤揚大橋[6]懸索橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁橋，為中國第一，世界第三，主跨1 490 m；斜拉橋(176 m+406 m+176 m)為雙塔雙索面型鋼箱梁橋，2005年建成通車。作為我國規(guī)?？涨暗奶卮笮蜆蛄?，對其建設(shè)和營運期間的健康監(jiān)測、狀態(tài)評估以及各種極端自然環(huán)境影響下的損傷預(yù)測和評估具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)的監(jiān)測項目包括纜索系統(tǒng)(斜拉索、主纜和吊桿)的振動響應(yīng)、鋼箱梁溫度場及響應(yīng)(應(yīng)變、振動)、交通荷載狀況、橋址風(fēng)環(huán)境以及索塔的振動響應(yīng)等。

3 大跨度鐵路橋梁健康監(jiān)測研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

高速鐵路從2008年起陸續(xù)投入運營，高速鐵路的運營密度及高速度、安全性、舒適性等特性對高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的靜、動力性能提出了更高的要求。因此高速鐵路橋梁在設(shè)計施工中有剛度較大、整體性好、縱向剛度大、減振性能和橫向位移控制要求高等特點，所以高速鐵路橋梁多采用小跨度的簡支梁或連續(xù)梁[7]。但由于跨河、越江和跨峽谷的需要，大跨度高速鐵路橋梁也越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計，建成和擬建的100 m以上跨度的高速鐵路橋梁在200座以上。我國大跨度高速鐵路橋梁的代表作是武廣客運專線的天興洲長江大橋和京滬高速鐵路的南京大勝關(guān)長江大橋。

隨著高速鐵路橋梁服役時間的增長，橋梁結(jié)構(gòu)長期處在復(fù)雜的自然環(huán)境作用下，受到材料老化、環(huán)境侵蝕、列車荷載的疲勞效應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將不可避免地發(fā)生退化，這必然影響結(jié)構(gòu)的安全運營，進而抵抗自然災(zāi)害甚至正常環(huán)境作用的承載能力下降；與此同時，關(guān)鍵截面構(gòu)件損傷擴展很快，極端情況下可能引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故，造成重大的社會影響，建立針對高速鐵路橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)有其重要的實用價值及現(xiàn)實意義。

高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用可以追溯到20世紀90年代，F(xiàn)uhr等在Vermont大學(xué)附近的一座鐵路橋梁埋入光纖束和光纜，以監(jiān)測該鐵路橋梁在列車經(jīng)過時的振動情況，從而了解該橋的工作情況[8]。中國香港青馬大橋是主跨1 377 m的公鐵兩用懸索橋，香港路政署在橋上安裝了溫度計、應(yīng)變計、風(fēng)速風(fēng)向儀、位移計、GPS、加速度計、地震儀、動態(tài)地磅等傳感器。鄭州黃河公鐵兩用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)共布置69個傳感器，對橋梁狀態(tài)進行健康監(jiān)測、狀態(tài)評估和損傷預(yù)警[9]。南京長江大橋為公鐵兩用特大橋，南京長江大橋安裝了包括溫度計、應(yīng)變計、加速度計、風(fēng)速儀、軌道衡、地震儀等150多個傳感器的健康監(jiān)測系統(tǒng)，確保大橋的安全運營和大橋的健康狀態(tài)[10]。目前國內(nèi)外高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是針對公鐵兩用橋梁，且多為大跨徑懸索橋和斜拉橋。高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)自身特性以及高速行車的安全性與舒適性要求都給高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提出更高的要求[11,12]。

4 研究與展望

通過布設(shè)全套的高效有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲取橋梁結(jié)構(gòu)的所有變形響應(yīng)，并在橋梁運營后連續(xù)實時地反映出結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。除了監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和響應(yīng)以外，還應(yīng)注重對環(huán)境條件的監(jiān)測與分析。隨著研究的不斷深入，研究者們逐漸認識到橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身和外在荷載存在著顯著的不確定性因素，而結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)實時采集的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)則正好體現(xiàn)了運營狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的隨機性、多樣性和復(fù)雜性信息。結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)具備4V特征，Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Value(價值)，是一種特殊的“大數(shù)據(jù)”。為了充分利用橋梁海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究和發(fā)展了多種數(shù)據(jù)挖掘與分析方法，建立了橋梁結(jié)構(gòu)荷載、環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計建模方法，初步揭示了橋梁結(jié)構(gòu)在溫度、風(fēng)、車輛荷載等時變環(huán)境作用下的靜、動力特性的變化規(guī)律。例如，基于溫度長期監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變化特征，采用統(tǒng)計學(xué)方法得到了橋梁關(guān)鍵構(gòu)件溫度以及溫差作用的概率統(tǒng)計模型；開展了大跨橋梁橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境的長期監(jiān)測，利用參數(shù)估計方法建立了持續(xù)風(fēng)特征參數(shù)的統(tǒng)計分析模型；利用動態(tài)車輛稱重技術(shù)研究了橋梁疲勞車輛荷載的統(tǒng)計分析模型；研究了鋼橋焊接細節(jié)在溫度和車輛荷載作用下疲勞應(yīng)變時程曲線的變化規(guī)律，建立了焊接細節(jié)疲勞荷載效應(yīng)與溫度以及車流量的統(tǒng)計相關(guān)模型。

盡管國內(nèi)外學(xué)者針對橋梁監(jiān)測系統(tǒng)和對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用取得了豐碩的成果，但是這些研究工作大多僅是針對橋梁環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)開展分析，尚不能完全揭示結(jié)構(gòu)服役性能的長期變化規(guī)律。其中很重要的原因是缺乏基于長期荷載作用和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息的橋梁結(jié)構(gòu)抗力參數(shù)反演方法，對橋梁結(jié)構(gòu)抗力模型中的關(guān)鍵參數(shù)的長期演變規(guī)律研究甚少。缺乏抗力模型的研究，就無法準確地對結(jié)構(gòu)服役性能進行評價。因此，目前對于橋梁監(jiān)測海量數(shù)據(jù)的分析仍然停留在問題的表面，亟需建立橋梁結(jié)構(gòu)長期變形、疲勞、耐久性和承載力等服役性能的識別方法。

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Research prospects of long-span bridge health monitoring and status assessment

Wu Laiyi1Ding Youliang2Wang Gaoxin2

(1.ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430050,China；2.SchoolofCivilEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096,China)

In this paper, the current situations of long-span highway and railway bridges health monitoring and status assessment are introduced based on the characteristics of highway and railway bridges. It evaluates current bridge health monitoring system. The shortage of current health monitoring system is summarized. Furthermore, directions of development in this area are proposed.

long-span， highway bridge， railway bridge， health monitoring

2015-04-05

吳來義(1973- )，男，工程師； 丁幼亮(1979- )，男，博士，研究員； 王高新(1987- )，男，在讀博士

1009-6825(2015)17-0158-02

U446.2

A