橋梁健康監(jiān)測技術研究
2015-06-24
引言
橋梁的生命過程一般包括規(guī)劃與論證、設計、施工、運營管理以及養(yǎng)護維修等幾個階段，以往人們往往只關注設計與施工階段，但橋梁在建造和使用過程中由于受到環(huán)境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分在遠沒有達到設計年限前就產生不同程度的損傷和劣化。由于缺乏對橋梁的科學監(jiān)測與管理，橋梁的健康狀況信息得不到及時反饋，國內外，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)濟損失。在這種情況下，人們對現(xiàn)代橋梁的質量和壽命才逐漸關注起來，尤其是隨著橋梁分析理論、施工技術、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁的結構越來越柔，跨度越來越大，對橋梁結構進行健康監(jiān)測就顯得尤為重要。本文首先概述了橋梁健康監(jiān)測技術的概念及重要意義，然后對其系統(tǒng)構成及應用實例也作了簡要介紹。
橋梁健康監(jiān)測技術簡介
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、計算機技術、網(wǎng)絡技術、現(xiàn)代檢測技術和結構損傷診斷技術、安全性評估技術等的新興技術。1997年，Housner等對結構健康監(jiān)測進行了定義：“在現(xiàn)場進行結構特性，包括結構響應的無損檢測和分析，其目的是：如果有損傷，則進行損傷識別、確定損傷的位置、估計損傷的嚴重程度并評價損傷對結構影響后果”。即一個結構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須同時能夠進行結構損傷檢測和狀況評估。
目前，大型橋梁的健康監(jiān)測、養(yǎng)護與維修得不到應有的重視，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：
及時把握橋梁結構運營階段的工作狀態(tài)，識別結構損傷以及評定結構的安全、可靠性與耐久性；
為運營、維護、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術改造決策更加科學、改造技術方案的設計更加合理、經(jīng)濟；
驗證橋梁設計建造理論與方法，完善相關設計施工技術規(guī)程，提高橋梁設計水平和安全可靠度，保障結構的使用安全，具有重要的社會意義、經(jīng)濟價值和廣泛的應用前景。
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)境有害物質的侵蝕，車輛、地震、風及各種人為因素的影響，以及材料自身性能變化等結構損傷的存在。1971年，美國制定了國家橋梁檢測標準（NBIS），提供了檢測方法的細節(jié)、檢測時間間隔和檢測人員資格的統(tǒng)一指導，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行監(jiān)測：風、車輛、溫度、壓力等荷載等環(huán)境作用；利用無損檢測技術對應力、應變、裂紋、疲勞等局部響應情況進行監(jiān)測；位移、速度、加速度、撓度、索力、振動特性、狀態(tài)反應等結構整體響應情況。
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)、結構實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結構健康診斷、安全預警與可靠性預測系統(tǒng)是關鍵部分。
結語
隨著現(xiàn)代檢測技術和計算機通信技術的迅猛發(fā)展，橋梁綜合健康監(jiān)測技術越來越趨于智能化、實時化、自動化和網(wǎng)絡化。但是目前的檢測系統(tǒng)也普遍存在一些技術問題，如缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設評估標準，隨著信息需求量的增多，監(jiān)測指標體系越來越龐大，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、質量重，具有較低的自然頻率和振動水平，動態(tài)響應易受環(huán)境狀態(tài)、非結構構件等影響，目前還沒有一個損傷指標可以全面、敏感地反映橋梁損傷狀態(tài)。
