大跨橋梁健康檢測與評估

李鐵純大跨橋梁健康監(jiān)測與評估目錄1引言2大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述3潤揚長江大橋?qū)嵗?結(jié)語1引言

自20世紀(jì)50年代以來，橋梁健康監(jiān)測的重要性就逐漸被認(rèn)識，但受檢測、監(jiān)測手段比較落后的限制，在應(yīng)用上一直未得到推廣和重視。近年來隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復(fù)雜化，這項技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點。許多國家都在一些已建和在建的大跨橋梁上進行了有益的嘗試：丹麥曾對總長1726m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測，另外，他們在主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上也開始了相關(guān)的嘗試；泰國與韓國目前也已開始在重要橋梁上安裝永久性的實時結(jié)構(gòu)整體與安全性報警設(shè)備；香港的青馬大橋、內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰大橋等在施工階段也已開始傳感器的安裝，以備將來運營期間的實時監(jiān)測。這種技術(shù)的成功開發(fā)與應(yīng)用將起到確保橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命的作用。同時通過早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn)能大大節(jié)約橋梁的維修費用，可以避免最終頻繁大修關(guān)閉交通所引起的重大損失。近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構(gòu)件疲勞加之監(jiān)測養(yǎng)護措施跟不上，從而嚴(yán)重影響構(gòu)件的承重能力和結(jié)構(gòu)的使用。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測非常必要和迫切。2大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述：2.1組成部分大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下內(nèi)容：（1）傳感系統(tǒng)。由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機等部分組成。（2）信號采集與處理系統(tǒng)。實現(xiàn)多種信息源、不同物理信號的采集與預(yù)處理,并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進行分解、變換以獲取所需要的參數(shù),以一定的形式存儲起來。（3）通信系統(tǒng)。將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。（4）監(jiān)控中心。利用可實現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進行診斷,包括結(jié)構(gòu)是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。傳感器監(jiān)測到的實時信號,經(jīng)過采集與處理,由通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心進行分析和判斷,從而對結(jié)構(gòu)的健康狀況作出評估。

2.2監(jiān)控內(nèi)容一般大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾方面進行監(jiān)控

:①結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼;②橋梁在正常車輛荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài);③橋梁在突發(fā)事件(如強烈地震、意外大風(fēng)或其它嚴(yán)重事故等)之后的損傷情況;④橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實疲勞狀況;⑤橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施的工作狀態(tài);⑥大橋所處的環(huán)境條件,如風(fēng)速、溫度、地面運動等。2.3監(jiān)控系統(tǒng)功能大型橋梁因其橋型、重要性、使用年限等因素的不同,其健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)也有所不同。以潤揚長江大橋為例,該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括如下幾個方面的功能:①報告大橋在各種工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)載荷變化;②設(shè)定日常信道報警系統(tǒng)用于橋梁的日常運營管理;③報告大橋各主要構(gòu)件的實際工作狀況,為結(jié)構(gòu)維護提供依據(jù);④報告大橋主要構(gòu)件有否任何損壞或者累積性的損傷并設(shè)立報警系統(tǒng);⑤對大橋主要構(gòu)件有否潛在損壞及其主要構(gòu)件的剩余使用壽命進行評估;⑥對大橋結(jié)構(gòu)的健康狀況、結(jié)構(gòu)安全可靠性進行評估。3潤揚長江大橋?qū)嵗こ毯喗椋簼檽P長江大橋即鎮(zhèn)江-揚州長江公路大橋。潤揚長江大橋于2000年10月20日開工建設(shè)，她跨江連島，北起揚州，南接鎮(zhèn)江，全長35.66公里，主線采用雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速100公里，工程總投資約53億元，工期5年，2005年10月1日前建成通車。潤揚大橋連接京滬、寧滬、寧杭三條高速公路，并使這三條高速公路和312國道、同三國道主干線、上海至成都國道主干線互連互通，成為長江三角地區(qū)又一重要的路網(wǎng)樞紐。該項目主要由南汊懸索橋和北汊斜拉橋組成，南汊橋主橋

是鋼箱梁懸索橋，索塔高209.9m，兩根主纜直徑為0.868m，跨徑布置為470m＋1490m＋470m；北汊橋是主雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為175.4m+406m+175.4m，倒Y型索塔高146.9m，鋼絞線斜拉索，鋼箱梁橋面寬。該橋主跨徑1385m比江陰長江大橋長105m。3.1主梁線形的測量：關(guān)于主梁線形(豎向、橫向、縱向的位移)的監(jiān)測,目前常用的方法是光電測距(EDM)和GPS方法.潤揚大橋所處的江面較寬,時常出現(xiàn)大風(fēng)、大霧和雨雪等天氣,這些因素會嚴(yán)重影響測量，而采用GPS技術(shù)進行主梁線形的監(jiān)測可以避免以上問題。對于潤揚長江大橋南汊橋在主跨中間和四分點處的兩側(cè)共設(shè)6個測點,GPS接收機用特制的密封盒固定在箱梁外側(cè)底板邊緣處.斜拉橋亦采用GPS技術(shù)進行線形測量,在斜拉橋上分別設(shè)8個測點(主跨跨中和四分點處共6個測點,索塔各一個測點).3.2大橋鋼索索力的監(jiān)測大橋鋼索索力狀態(tài)(懸索橋主纜、吊索、斜拉索等)是衡量大橋是否處于正常運行狀態(tài)的一個重要標(biāo)志.目前,可采用光纖傳感器、電阻應(yīng)變儀、鋼絲振弦應(yīng)變儀、磁致彈性測力儀、振動方法等進行纜索拉力的測量或監(jiān)測.

主纜采用磁致彈性測力儀的直接方法進行連續(xù)監(jiān)測,同時采用振動方法進行間接檢測,確保檢測可靠性.監(jiān)測點設(shè)在4個錨室內(nèi),分別在每個錨室的上端、下端、左側(cè)、右側(cè)、中間索股進行主纜內(nèi)力監(jiān)測.3.3振動監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積結(jié)果,而橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷主要是由于動荷載作用下的交變應(yīng)力作用的結(jié)果.對于懸吊支承結(jié)構(gòu)的橋梁,其懸吊體系(懸索橋的主纜和吊索、斜拉橋的斜拉索)不僅影響主梁結(jié)構(gòu)的動力特性和受力特性,而且其本身在交變應(yīng)力與環(huán)境腐蝕的相互作用下是導(dǎo)致疲勞和銹蝕損傷擴展的重要原因之一。

振動特性的監(jiān)測可采用加速度傳感器來實現(xiàn),但是由于索塔、鋼箱梁、主纜、吊索、斜拉索各自的固有振動特性不同,因此在選擇傳感器時要充分考慮傳感器的技術(shù)性能(頻率范圍、靈敏度、采樣特性等).3.4主梁應(yīng)力監(jiān)測監(jiān)測主梁應(yīng)力的目的在于通過對主梁結(jié)構(gòu)的控制部位和重點部位內(nèi)力的監(jiān)測,研究主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷下的響應(yīng),為結(jié)構(gòu)損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估提供依據(jù).同時,通過控制點上的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的變異,檢查結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞的狀態(tài).

一般的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測采用電阻應(yīng)變傳感器,但電阻式應(yīng)變儀的零漂、接觸電阻變化以及溫漂等給系統(tǒng)帶來一定的誤差.且電阻式應(yīng)變傳感器的壽命較短,故從長期監(jiān)測和信號傳輸?shù)确矫婵紤]宜采用(或部分采用)適合長期監(jiān)測用的光纖傳感器.潤揚長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中采用了光纖傳感器與電測方法相結(jié)合的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測方法.3.5溫度監(jiān)測通過對橋梁溫度場分布狀況的監(jiān)測,可為橋梁設(shè)計中溫度影響的計算分析提供原始依據(jù).對不同溫度狀態(tài)下橋梁的工作狀態(tài)變化,如橋梁變形、應(yīng)力變化等進行比較和定量分析,對于橋梁設(shè)計理論的驗證和完善均有積極意義.溫度傳感器在橋梁上沿主梁橫斷面布置.在系統(tǒng)中采用數(shù)字式溫度傳感器,構(gòu)成的單線多點溫度測量系統(tǒng)進行橋梁結(jié)構(gòu)溫度分布狀況的監(jiān)測.各溫度傳感器以并聯(lián)方式與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接,通過網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)與計算機進行通信、對溫度的自動遠(yuǎn)程監(jiān)測.3.6潤揚大橋斜拉橋和懸索橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)測點布置圖4結(jié)語

4.1利用振動模態(tài)測試分析技術(shù)和系統(tǒng)識別理論,結(jié)合大型橋梁結(jié)構(gòu)自身的特點,探索適用于大型土木工程結(jié)構(gòu)的模型修正方法。

4.2尋求通用的損傷量化指標(biāo)。在基于振動的故障診斷和預(yù)測中,要求不論信號的來源和頻段,經(jīng)過信號處理后,即可根據(jù)識別出的信號來判斷結(jié)構(gòu)是否處于損傷狀態(tài)。因此,應(yīng)該設(shè)計一種損傷尺度,將結(jié)構(gòu)損傷程度進行分級量化。4.3新型傳感器和激振器的研制。新型傳感器的使用,使得原本沒有生命的橋梁被賦予了自感知和自診斷的能力。其中包括光纖傳感器,壓電傳感器,形狀記憶合金傳感器以及微型激振器等。4.4傳感器的最優(yōu)布置技術(shù)。結(jié)構(gòu)模型試驗和在線監(jiān)測都需要對傳感器的最優(yōu)布置技術(shù)進行研究。

可以相信,隨著大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估的理論和技術(shù)水平的不斷完善與提高,大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)必將為大跨橋梁的正常運營和維護提供可靠、先進的技術(shù)手段,從而確保大跨橋梁的安全性和耐久性。參考文獻(xiàn)[1]楊玉成.多層磚房的地震破壞和抗裂抗倒設(shè)計[M].北京:地震出版社,1981[2]沙安.建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2001)問答(4)[J].工程抗震,2002(4):43～45[3]常業(yè)軍.合肥市多層砌體結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測[J].建筑技術(shù),2003(11):841～842[4]建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2001)[5].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001[5]WangHao,LiAi-qun,MiaoChang-qing.FEModelandModelUpdatingofRunyangSuspensionBridge,The2ndInterna2tionalConferenceonStructuralHealthMonitoringofIntelligentInfrastructure.Shenzhen,P.R.ofChina,2005.[6]GuoTong,LiAi-qun,MiaoChang-qing.Combinednu2mericalsimulationmethodand