浅谈大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统

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  [摘 要]在桥梁与隧道工程建设中,关于大型桥梁结构与隧道工程的健康监测与评估是提高桥梁管理水平、确保工程畅通及调控运营状态的重要环节。由于其在施工实践中具备重要的指导意义和使用价值,也逐渐受到国内外桥梁与隧道工程学术界的重视和关注,在很大程度上推动了我国大型桥梁与隧道工程的发展。桥梁是交通基础设施的生命线节点工程。传统的桥梁评估,是通过简单的人工手段进行桥梁检测和监测,然后给出相关的加固和维护建议,然而,这种技术手段已经无法满足目前桥梁养护的要求,难以有效的防范突发事件的发生。随着信息和传感技术的发展,桥梁健康监测系统应运而生,该技术能够实时测取桥梁的服役状态,从而为准确评估桥梁性能提供数据与技术基础。重大桥梁结构的健康监测系统是改善桥梁运营状态、确保桥梁服务水平的根本措施。目前,大型桥梁结构的健康监测理论及技术已成为桥梁工程学术界、工程界及管理部门等共同关注的焦点。本文探讨桥梁健康监测的系统功能,并剖析健康监测系统的组成要素和内容,总结我国桥梁健康监测技术的发展状况。最后,系統分析桥梁健康监测的新理论和新技术,展望未来桥梁健康监测技术的难点和要点。
  [关键词]大型桥梁;隧道工程;健康监测;评估管理
  中图分类号:TH183 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)36-0388-02
  1 我国桥梁健康监测系统的发展概况
  随着我国桥梁技术在近20年的飞速发展,我国已建成的大跨径桥梁超过100多座。大跨径桥梁的显著特点是结构轻柔,跨径大,超静定,结构状态较难识别。而大跨径桥梁作为交通系统的核心通道,保障其安全和性能至关重要。因此,这些桥梁的建设,也对其建成后的养护和管理工作提出了更高的要求。由于大跨径桥梁运营期间所面临的复杂环境作用,如爆炸、船撞、重载车流、极端风荷载等偶然作用,也有疲劳荷载和可变作用形成的结构耐久问题,需要有行之有效的监测系统,实时掌握桥梁的结构状态,并提出优化的、针对性的管理和维护措施,保证桥梁运营性能。基于此,桥梁健康监测系统应运而生。目前,我国已有140余座大桥安装桥梁健康监测系统,遍及各种桥型。总结这些桥梁的健康监测系统,主要有以下五大特点和发展趋势:(1)传感器多,经济性显著。一般而言大跨度桥梁的健康监测系统至少由100以上传感设备,其造价占比一般达到桥梁总造价的0.5%~1.0%;(2)以桥梁管理和维护为目的,桥梁监测的目的就是获得桥梁状态,以优化管理和维护措施,保障桥梁性能;(3)监测系统需具备可更换和可维护性;(4)监测系统开始延伸到施工状态,形成施工与运营一体化的桥梁监测系统;(5)虽然桥梁监测可以做到自动化和智能化,但对于监测结果的评估,还需要桥梁专家的介入,以准确评估监测结构的真实性和合理性。在上述健康监测系统的发展状态下,探索新技术新理念,将监测获得的大数据真正用于有效的桥梁管理和维护中,非常重要。
  2 主要组成结构
  桥隧综合健康监测评估系统越来越趋向于更智能、更自动、更实时、更网络,所以在硬件和软件两方面,系统的设计都应当考虑到这些要求。其中硬件主要是用各种传感器监测风速、温度、湿度等外部指标与位移、震动、应变、线形等桥梁内部数据;软件方面则是使用监测数据构建桥梁数据库和以及数据管理评估系。软件评估系统可以大大减少工作人员的工作量,避免人员浪费,并且更为安全合理。系统要充分考虑到当地野外环境与桥隧本身的技术特点,做到因地制宜,确保充分准确地发挥应有的功效。
  3 主要功能和模块
  评估管理系统应当采用模块化设计。除了对监测到的桥梁相关数据进行查看和管理,还应当对桥梁的运行状态进行评估,并结合不同大桥的设计特点和养护要求,建立一套完整的评估与预警系统,为日常养护提出具体的维护要求。除此之外,还应当在不同情况下能够进行参数的设置,并能够随时打印相关数据表格,并对用户的使用进行引导与帮助。因此,在大型桥梁与隧道工程健康监测和评估管理系统中主要应包含八个功能模块:(1)基础信息:包括桥隧结构的设计、施工以及传感器的布置等基本信息;(2)数据检测:包括查看、编辑、添加监测数据等信息;(3)状态评估:对检测数据的分析评价以及对实时结构状态的評估;(4)荷载试验:利用理论分析和荷载试验结果对结构进行评价;(5)日常维护:对日常的维护进行知道,并将维护进行保存与管理;(6)系统设置:对评估参数及用户管理进行设置;(7)数据打印:将页面中的数据分析汇总,并形成纸质版的报表;(8)使用帮助:提供软件及传感器等的使用与维护方法。
  4 桥梁健康监测的新理论和新技术
  桥梁健康监测系统可以作为子系统包含于桥梁管理系统,是健康监测系统设计时应注意的新理念。现有桥梁健康监测系统一般用于单座大型桥梁,是针对单一桥梁的项目级系统,通过监测仪器和软件系统以实时监测为主。桥梁管理系统适用于城市和公路桥梁管理,是针对桥梁群体的网络级系统,以常规检测为主。传感器优化布设技术:减少传感器的数量,优化其布设位置对于减少数量分析工作量、提高数据分析效率来讲是一门非常重要的新技术。全寿命集成:健康监测系统设计时应涉及全寿命周期,前伸到设计、施工阶段,后续至养护管理阶段,基于性能进行系统设计。传感技术可行性(耐久性):传感器能否耐久,并及时监测指标的变化是系统设计时考虑的重要事项。
  4.1 传感传输技术
  从监测内容上看,传感传输领域包含变形、位移的测量,拉索锈蚀的检测,疲劳监测等的新技术。另外,传感器技术,无线传输技术,健康监测动态功耗管理技术以及状态监测可视化及评估辅助技术都属于该领域研究的新技术。经过长期的研究与改进之后,机敏网仿生裂缝监测技术、准直点激光投射式挠度监测技术、基于GPRS/GSM的远程传输技术、桥梁健康监测动态功耗管理技术、状态监测可视化及评估辅助技术的硬件技术和软件技术都已成熟,并且已经走向市场。   4.2 数据处理、识别、评估、预警理论数据处理新技术包含对海量数据筛選和数据质量提升、有效利用等处理技术。损伤或状态识别:运营桥梁在施工过程中不可避免存在结构和构件的损伤,而监测系统需要识别这些损伤的位置和程度,才能判断是否对桥梁结构安全和性能形成显著影响,从而制定加固方法和养护策略。监测系统需要有效快速地诊断损伤。目前研究的损伤识别方法大部分都是基于结构振动的,主要有频率法、频率敏感性分析法、模态准则MAC法、基于刚度矩阵的模态力误差识别法、基于柔度矩阵的识别方法等。结构性能评估:影响桥梁结构性能的因素众多,这也是监测系统应用的关键难点。随着相关技术的发展,目前可以应用多种数理方法用于评估桥梁的结构性能,例如模糊综合评价法、神经网法、及基于结构可靠度的方法,目的都是利用监测大数据,分析桥梁的结构性能。预警理论方法方面,则包含预警指标、预警阈值和预警方法的确定等,这些都是判断预警是否正确、合理和准确的核心。
  4.3 技术与理论瓶颈
  桥梁结构健康监测系统这方面的研究虽然已经取得了很大的进展,但是依然存在一些问题:首先,桥梁是由多种材料、多样构件形成的复杂超静定结构体系,各个构件的刚度特性都不一样,这就形成了构件的应力状态、易损性、刚度及动力特性等差别很大,在受损状态下,通过监测结果,较难高效地识别损伤位置和损伤程度,也很难通过某一监测结果或者指标去评估整体结构的状态。其次,实际桥梁的状态,可能由于施工不确定性和环境作用等因素,使得其与我们预想的结构状态存在很大差别,这就是个采用数值建模的桥梁模型并不一定能够完全反应实际的桥梁状态,这给桥梁的状态识别带来很高的难度,另外大跨径桥梁结构存在显著的非线性特征,这种非线性对于桥梁的受力和损伤分析,也是非常复杂的。最后,目前的测试设备和传感器仍然存在寿命不稳定,抗干扰性差等问题,因此,研发高精度、高耐久性和高准确率的测试设备和传感器,对于准确获取桥梁响应具有重要意义。
  5 桥梁健康监测评估系统的设计
  5.1 设计桥梁健康监测系统的相关要求
  在设计桥梁健康监测系统的一系列过程当中,首先需要考虑的就是对桥梁健康监测系统的作用与目的进行建立。桥梁健康监测的实际意义与其作用与目的其实是相同的,当对那些特定桥梁的健康监测系统目的进行建立的时候,除了能够把桥梁评估和监控以及设计验证作为目的之外,当然也能够把研究发展作为设计桥梁健康监测系统的目的。如果确定了建立桥梁健康监测系统的目的之后,那么就能够进一步进行确定系统的监测项目。除此之外,桥梁健康监测系统的设计,还应当根据不同的桥型所以在对桥梁健康监测系统进行设计的时候应当有效分析成本与效益。其中对成本与效益进行分析是建立高效的、按照功能中的具体要求以及能够把所监测的项目与测点数设计到所需要的范围当中,对于系统硬件设施能够最优化地进行选择且对其进行安装。所以,在对桥梁健康监测系统进行设计的时候俩项重要的准则就是功能要求与效桥梁健康监测系统进行监测的项目在桥梁健康监测系统当中,由于功能目标的不同那么所进行监测的项目也是有所区别的。所以,在面对大跨度余支承桥梁的时候,应当在桥塔部分装置相对来说比较多的传感器,然后在此基础上把梁和拉索以及缆索等每个不同部位的工作做好,只有这样才能够得到详细的结构动力行为,而且对设计结构过程当中的响应预测机制与动力分析模型进行验证。除此之外,应当在其他部分的连结部位安设传感器,从而能够对其的约束情况与传力等多个方面的信息进行充分反映。从当前实际情况来看,部分监测系统当中有一个目的对安全评估技术进行开发虽然按照桥梁问题而进行研究的监测系统并不是经常可以见到的,可是一部分监测系统当中也有项目是专门为研究所进行服务的。按照需要研究的问题当中的性质能够对与理论研究方面有关联的监测项目进行确定。根据桥梁工程目前发展的真实情况来看,能够进行借助桥梁健康监测系统然后进一步深入论证和理论研究相关的监测项目分为以下几种:(1)基础:在采用大直径桩的时候给设计带来了问题,如果对原来用于计算中等直径桩的方法直接进行套用的话并不是非常的合理。所以对于桥梁健康监测系统进行借助,然后去研究大直径桩的承载力方面的问题与变形规律,这当然也是设计部门的一种需求。(2)结构:比如像钢梁焊缝疲劳,边界和联接条件,结合梁结合面的破坏机制等等多个方面需要进行详细的研究。与此同时在索支承桥梁缆索与吊杆的振动和减振以及局部损伤机制等这些方面也应当进行观察与研究。(3)耐久性:从目前实际情况来看,桥梁结构当中在耐久性方面还存在很多不足之处需要对其进一步进行研究。必须提高对于吊杆和缆索的锈蚀问题与腐蚀问题的重视程度。(4)抗风性:具体包括结构在自然风场当中的表现和风场特性观测以及抗风稳定性等等。(5)抗震性:主要包括对于每种不同的场地地面运动时间和空间的变化情况和多点激励给结构响应带来的一系列影响以及土与结构之间的相互作用等等进行研究。经过对关于墩底和墩顶的变形与加速度以及应变的监测进行建立恢复力模型,这对于桥梁抗震分析起着至关重要的作用。
  6 结语
  本文对大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统的开发目的和特点、组成、及该系统的主要功能及模块进行介绍,大型桥梁的运营养护与安全管理是一项高度综合、极为复杂的系统工程,其目的是保障大型桥梁结构的安全性、完整性、适用性与耐久性。精细化、科学化的运营养护与安全管理离不开丰富量化的数据支撑,桥梁结构健康监测技术经过多年发展应用,采用先进的传感监测技术和智能信息处理技术,结合仍处于不断发展中的桥梁结构损伤识别方法和安全性评估分析理论,逐渐成为大型桥梁安全管理不可或缺的服务平台,并在大型桥梁的安全管理中发挥着越来越重要的作用,对于保证大型桥梁的结构安全、及時掌握桥梁结构状况、发现桥梁早期病害、制定合理的养护维修计划、实现安全经济运行具有重要意义。
  参考文献
  [1] 项贻强,汪劲丰,王晖,伍华成,荆龙江,杨万里,李毅,陈冬梅.大型桥梁与隧道工程健康监测与评估管理系统的研究.华东公路,2006,02:3-6.
  [2] 项贻强,汪劲丰,刘琳,王晖,成,荆龙江,杨万里,李毅,陈冬梅.大型桥梁工程健康测与评估管理系统的研究与开发.中国土木工程学会桥梁及结构工程分会、重庆建设委员会、重庆市交通委员会.第十七届全国桥梁学术会议论文集(下册).中土木工程学会桥梁及结构工程分会、重庆市建设委员会、重庆市交通委员会:,2006:7.
  [3] 孙磊.大跨径连续刚构桥梁健康监测与评估系统[D].长安大学,2009.
  [4] 陈航.在役T构桥梁健康监测研究[D].福州大学,2013.
  [5] 吴巨峰.大型桥梁结构健康监测系统的技术研究与应用[D].武汉理工大学,2009.
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