桥梁健康监测研究及发展趋势
2015-04-28
随着桥梁在交通运输中占据日益重要的地位，桥梁设计理论和施工技术的不断进步使得桥梁跨度不断有新的突破，结构形式也日趋复杂。但是，目前中、老龄桥梁在国内陆路交通网络中占相当的比重，随着桥龄的增长，由于环境、气候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加和人为事故等因素，不少桥梁已出现严重的功能退化的情况。而建造和维护大型桥梁需要耗费大量的人力、物力和财力，滞后于桥梁建设与发展的综合监测及评估手段使桥梁管理层和决策层无法对其整体使用性能做出客观准确的评估，因此也无法采用低成本、高效益的维修养护方法。在这种形势下，建立与之相适应相匹配的桥梁综合监测与评估系统成为桥梁界研究的热点之一，具有极为重要的意义。
1 桥梁健康监测的概念
桥梁健康监测的基本内涵是根据结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)，结合无损检测(NDT)和结构特性分析(包括结构响应)，从营运状态的结构中获取并处理数据，目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。
桥梁健康监测根据桥梁结构安全性、适用性和耐久性评估的需要和桥梁管理、决策部门的信息需求，并结合目前国内的实际经济条件及桥梁现场监测条件，确定桥梁结构监测系统中实施的监测项目，以实用性、可靠性为基础，在一定程度上兼顾其先进性，并考虑到费用一效益(cost--benefit)的关系，确定各监测项目。
2 桥梁健康监测系统的组成
2，1 采集测量部分
采集测量部分的监测项目一般包括位移、应力、动力特性、温度、表观检测等。1)位移监测。利用测量手段，对桥梁各控制断面的位移变形进行监测，并绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位移变形状态，从而为总体评估桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力提供依据。常用的位移变形监测方法有导线测量(观测水平位移)、几何水准法(观测竖向位移)、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法(ATR自动监测系统)和自动全站仪的方法。2)应力监测。运营状态中主梁的应力或应变的变化是由于主梁结构的外部条件和内部状态变化引起的。外部条件主要有支座的变化及车辆荷载的作用等，而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。通过应力监测可以反映主梁的受力条件变化和结构内部的性能。3)动力特性监测。桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关，对桥梁结构的动力特性监测主要在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、水流等随机荷载激振而引起的结构微小振动响应。主要测定主梁的固有振动频率、振型等。4)温度监测。通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响；可以了解桥梁结构在某种温度扬下的行为，如结构变形、内力变化等。5)区域表观检测。表观检测包括混凝土裂缝检测、混凝土强度检测、混凝土碳化深度检测以及混凝土表观质量检测以及桥面铺装、支座、伸缩缝等的损坏情况。
6)其他监测项目。
2．2 数据传输部分
稳定可靠的数据采集和传输部分对于保证监测系统的长期运行有着重要意义，同时是获取有效、可靠的监测数据的前提，主要应该解决以下几项关键问题：
1)关于数据采集和传输的同步问题。同步问题是桥梁监测系统的关键性技术问题之一。是后期数据处理、分析和桥梁健康评估的基本前提条件。系统可以不需要整体同步，但是挠度、振动等子系统各点采集的时间必须同步。2)关于数据采集节点设备和传输链路的合理配置与优化问题。影响数据采集节点设备和传输链路可靠性的因素相当复杂，必须研究设计重点考虑系统合理的配置和优化。3)关于系统数据采集过程中单点故障问题。系统需要具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。4)关于故障自动报警的问题。系统能够识别传感器故障包括电流回路泄漏、对不可信信号电平的捕获和子系统故障，并能在系统主机上给出相应的报警信息。5)关于数据可靠性检验的问题。系统具有能够对所监测数据进行自检、互检和标定的功能，是保障原始数据可靠性的重要手段。6)关于实现远程监控的问题。通过因特网技术可以使桥梁管理者或桥梁专家在异地对系统实现远程监控和数据分析，是桥梁健康监测系统的新需求。
2．3 数据分析处理和控制部分
数据处理是指对数据采集和传输部分获得的数据信息进行收集、整理、加工、存贮及传播等一系列活动的总和。它的基本环节是进行数据的组织、存贮、检查和维护等工作。这些工作是数据处理的中心问题，一般称之为数据管理。二十世纪六、七十年代以来，数据管理技术提高到了数据库阶段，计算机中的数据及数据的管理统一的由数据库系统来完成。数据库系统的目标是：解决数据冗余问题；实现数据独立性；实现数据共享；并解决由于
数据共享而带来的数据完整性、安全性及并发控制等一系列问题。
3 主要理论研究的现状与进展
目前，桥梁健康监测系统对桥梁结构评估的内容有三个方面，即承载能力、营运状态和耐久能力l5．6 J。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性有关。其评估的目的是要找出桥梁结构的实际安全储备，以避免桥梁在日常使用中发生灾难性的后果。因其与人身安全和财产损失有关而成为桥梁结构评估的主要内容。营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关。在指定结构工作条件和定期的养护维修的情况下，桥梁结构营运状态评估结果是十分重要的。耐久能力的评估侧重于桥梁的损伤及其成因，以及其对材料的物理特性的影响。数据采集和传输部分的一种新趋势是采用无线数字传输系统。随着数字技术的发展，无线传输的抗干扰性也得到了稳步提高，在未来将有很大的应用空间。
目前已有的桥梁监测系统中，往往存在监测项目种类不足，而个别项目的规模又过于庞大，尤其在对监测数据的管理方面，还没有一个较为完善的数据存储与管理系统，大量的监测数据得不到妥善的处理与利用。并且。现有的桥梁监测和状态评估系统大多属于单一的监测系统或者是单一的管理系统。作为一个桥梁健康监测综合评估系统，必须建立综合评估机制以反映桥梁结构的状态，为桥梁的管理养护决策提供理论依据。
桥梁健康监测在国内尚处于起步阶段，实际情况是，由于各种原因，国内现有的几个监测系统均有不同程度的瘫痪。随着桥梁健康监测工作的进一步深入，监测系统还需要解决远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等一系列问题。一方面，在系统性能、数据评估方面还都没有现成的规范；另一方面。随着人们对桥梁安全性认识的逐步提高，桥梁健康监测的市场前景越来越广阔。在实践中探索出一套稳定可靠的监测系统、明确各项参数指标、研究监测数据的具体用途是健康监测下一步工作的目标。
