基于監(jiān)測(cè)的橋梁智慧診斷、決策及維修

楊 通

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司上海工業(yè)化裝配化市政工程技術(shù)研究中心，上海 200125）

0 前言

上世紀(jì)90年代以來，我國(guó)公路網(wǎng)建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，橋梁數(shù)量大幅增加。當(dāng)前交通運(yùn)輸事業(yè)朝著高速化、重載化方向發(fā)展，橋梁長(zhǎng)期受到重型車輛的反復(fù)作用，橋面、梁體、支座病害問題日漸突出，影響車輛行駛的安全性、舒適性，橋梁維修養(yǎng)護(hù)壓力日益增大。一方面，現(xiàn)有橋梁維修管養(yǎng)技術(shù)主要依靠傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，存在效率低、可靠性差、滯后性等不足，越來越難以應(yīng)對(duì)我國(guó)數(shù)量龐大的橋梁路網(wǎng)工程。另一方面，依賴傳統(tǒng)技術(shù)的橋梁大修會(huì)暫時(shí)影響甚至切斷該道路的通行能力，同時(shí)施工帶來的噪聲、粉塵以及廢水等污染源會(huì)影響周邊環(huán)境。如何快速修復(fù)橋梁并盡可能減少施工期間對(duì)交通和環(huán)境的影響是當(dāng)前亟待解決的難題[1]。

基于以上兩個(gè)方面，本文旨在探討基于即時(shí)監(jiān)測(cè)的橋梁智慧診斷、決策及維修解決方案。首先，通過整合一系列基于即時(shí)監(jiān)測(cè)的橋梁病害診斷技術(shù)，結(jié)合智能算法、大數(shù)據(jù)技術(shù)等搭建一個(gè)智能決策平臺(tái)，利用少干擾的快速維修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中小橋梁的智慧管養(yǎng)及維修。

1 中小跨徑橋梁常見病害分析

同濟(jì)路高架為一座偏南北走向的大型橋梁，位于上海繞城高速公路上，全橋共有108跨裝配式簡(jiǎn)支空心板梁，全長(zhǎng)2282.28m。根據(jù)《同濟(jì)路高架橋2013結(jié)構(gòu)定期檢查評(píng)估報(bào)告》及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，橋梁主要病害及產(chǎn)生機(jī)理如下。

1.1 鉸縫病害

鉸縫破損產(chǎn)生原因主要有：

①重載交通；

②混凝土鋪裝過?。?/p>

③支座脫空；

④施工質(zhì)量差。

1.2 鋪裝病害

①瀝青鋪裝縱向裂縫通常由鉸縫分離引起的；

②混凝土橋面鋪裝局部破損一般是由施工或交通超載導(dǎo)致的；

③橋面連續(xù)處的瀝青面層橫向裂縫的形成原因主要是構(gòu)造因素或施工質(zhì)量。

1.3 支座病害

支座的病害有支座破損和支座脫空，支座脫空通常是施工不當(dāng)導(dǎo)致的，單片梁的四個(gè)支座未調(diào)整至一個(gè)平面。

1.4 蓋梁病害

蓋梁裂縫主要有以下幾種成因：

①梁高較高，翼緣位于豎向受力截面的受拉區(qū)，配筋偏小；

②縱橋向的水平力作用造成側(cè)面裂縫；

③混凝土收縮應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫；

④超載及施工質(zhì)量因素。

2 橋梁快速維修加固技術(shù)

2.1 不封交同步頂升技術(shù)

不封閉交通橋梁同步頂升技術(shù)是指在對(duì)以板梁為上部結(jié)構(gòu)的橋梁進(jìn)行支座更換時(shí)，所采取的一種頂升方法[2]。該方法強(qiáng)調(diào)橋上不封閉交通，板梁間頂升同步。頂升工藝流程如下：

圖1 頂升工藝流程圖

2.2 預(yù)應(yīng)力碳板加固技術(shù)

預(yù)應(yīng)力碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的原理是通過環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑將碳纖維片材貼于混凝土受拉區(qū)表面，以恢復(fù)其使用性能及正截面承載能力。

圖2 預(yù)應(yīng)力碳板加固蓋梁方案示意圖

2.3 高壓水射流破除舊混凝土

高壓水射流技術(shù)也稱為水力破除技術(shù)，工作原理是將經(jīng)過高壓泵加壓的高速水流作用于混凝土表面，高速水流鉆入混凝土表面的微孔中，速度轉(zhuǎn)化成壓力，當(dāng)壓力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就被破碎[3]。

圖3 高壓水射流破壞混凝土過程示意圖

2.4 快速纖維混凝土維修鉸縫

快速纖維混凝土可以在混凝土澆筑后3h內(nèi)達(dá)到30MPa抗壓強(qiáng)度，同時(shí)纖維可以有效防止混凝土收縮而導(dǎo)致的裂縫，適用于交通要道的快速維修。

圖4 采用快速纖維混凝土維修鉸縫

2.5 鉸縫注漿工藝

鉸縫注漿工藝原理是，首先將鉸縫形成密閉空腔，然后將環(huán)氧樹脂灌入受損鉸縫縫隙內(nèi)，利用其與混凝土粘結(jié)力強(qiáng)、硬化速度快的優(yōu)點(diǎn)，迅速恢復(fù)破損的鉸縫，進(jìn)而恢復(fù)板梁之間協(xié)同工作能力。

3 基于監(jiān)測(cè)的橋梁損傷診斷技術(shù)

20世紀(jì)90年代后期，世界范圍內(nèi)興起了一股對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的研究熱潮?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別并基于損傷識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估是結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)之一[4]。隨著理論研究的深入以及信息技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外的研究者提出了許多不同的基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別指標(biāo)和相應(yīng)的損傷診斷方法，如結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)及其導(dǎo)出量、結(jié)構(gòu)柔度、頻響函數(shù)、能量傳遞比、殘余力向量、小波包節(jié)點(diǎn)能量等[5]。近年來，基于即時(shí)監(jiān)測(cè)的損傷識(shí)別技術(shù)逐步在工程中得到應(yīng)用。

周良等人提出一種基于動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的板梁鉸縫狀態(tài)安全評(píng)估技術(shù)，經(jīng)過與檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配式梁橋的鉸縫病害診斷及識(shí)別[6]；文章《Study on a measurement index of transverse collaborative working performance of prefabricated girder bridges》，提出了描述橋梁的各片梁之間的橫向協(xié)同工作性能的一個(gè)指標(biāo)：

當(dāng)橋梁上的交通流具有穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)特性時(shí)，相關(guān)系數(shù)ρij會(huì)隨著樣本長(zhǎng)度的增加而統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定于某一特定值。對(duì)于裝配式空心板梁，影響相關(guān)系數(shù)ρij的主要因素包括鉸縫剛度以及彈性模量，由于同一跨的空心板梁彈性模量基本一致，因此，此時(shí)的應(yīng)變相關(guān)系數(shù)就成為各片預(yù)制梁橫向協(xié)同工作性能的指標(biāo)。據(jù)此，首先搭建一個(gè)基于應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的不同梁片應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析相鄰兩片梁數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。然后通過與檢測(cè)報(bào)告對(duì)比論證，證明該指標(biāo)可以識(shí)別板梁鉸縫病害。

4 橋梁智慧管養(yǎng)系統(tǒng)

改革開放以來，我國(guó)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速，至2010年底公路橋梁總數(shù)達(dá)到了65萬座，已經(jīng)成為最大的公路橋梁國(guó)家。隨著國(guó)家交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，這些橋梁工程不僅對(duì)橋梁的建設(shè)技術(shù)提出更高的需求，而且對(duì)橋梁建成后的維護(hù)管理提出了巨大的需求。傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)中存在的被動(dòng)養(yǎng)護(hù)、粗放管理、技術(shù)落后等難題，在新技術(shù)、新工藝迅速發(fā)展的環(huán)境下，智能化的橋梁管理理念與方式應(yīng)運(yùn)而生，在橋梁破損狀況檢測(cè)、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、典型病害維修、惡劣天氣運(yùn)維、日常養(yǎng)護(hù)管理等領(lǐng)域都有了很大的進(jìn)步[7]。然而，針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的研究大部分并沒有形成一個(gè)完善的技術(shù)體系，如何搭建一個(gè)智慧化綜合管養(yǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)智慧檢測(cè)、智能評(píng)估以及快速維修成為非常值得嘗試和研究的課題。

基于監(jiān)測(cè)的橋梁智慧管養(yǎng)系統(tǒng)，首先需要一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)、交通環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其次整合一類基于監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)診斷及評(píng)估技術(shù)，最后結(jié)合少干擾、快速維修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁工程的智慧管養(yǎng)。其核心組成如下。

圖5 橋梁智慧管養(yǎng)系統(tǒng)基本組成

決策系統(tǒng)是橋梁智慧管養(yǎng)系統(tǒng)的核心。首先，決策系統(tǒng)是由一類基于即時(shí)監(jiān)測(cè)的損傷診斷技術(shù)構(gòu)成，并且需要根據(jù)工程實(shí)踐逐步完善，以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁常見病害的全覆蓋。其次，由于環(huán)境噪聲的存在，基于確定性思想的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法尚難以取得滿意的效果，因此決策系統(tǒng)的完備還有賴于人工智能算法系統(tǒng)及專家支持系統(tǒng)的補(bǔ)充。智能算法是隨著人工智能、仿生學(xué)的研究進(jìn)展，人們從不同的角度出發(fā)對(duì)生物系統(tǒng)及其行為特征進(jìn)行模擬，進(jìn)而設(shè)計(jì)出的如進(jìn)化算法、免疫算法、蟻群算法以及粒子群算法等通用性較強(qiáng)的智能方法。智能算法尤其適用于工程中具有約束條件多、非線性嚴(yán)重的決策問題。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用各種改進(jìn)的智能優(yōu)化算法應(yīng)用于工程實(shí)際中，取得了良好的效果[8]。

5 結(jié)語

本文根據(jù)調(diào)查分析總結(jié)了中小橋梁常見病害及形成機(jī)理，介紹了一類基于監(jiān)測(cè)的損傷診斷技術(shù)、橋梁快速維修技術(shù)，探討了基于監(jiān)測(cè)的智慧管養(yǎng)系統(tǒng)的基本框架。橋梁智慧管養(yǎng)系統(tǒng)依賴于一系列結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)處理及分析對(duì)橋梁常見病害診斷及評(píng)估，然后結(jié)合面向未來的快速維修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁工程的智慧管養(yǎng)。目前，基于監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋橋梁病害，有賴于進(jìn)一步深入研究。