劉興鳳 邊文同

[摘要]本文就健康監(jiān)測(cè)策略分析與框架設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述,針對(duì)不同需求,梳理了三套橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架,并提出了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟建議,可供橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。

[關(guān)鍵詞]橋梁 健康監(jiān)測(cè) 策略分析

1 引言

目前我國(guó)土木工程事故頻繁發(fā)生,如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等,造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,已經(jīng)引起人們對(duì)于重大工程安全性的關(guān)心和重視。另外,我國(guó)有一大部分橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施都是在五六十年代建造的,經(jīng)過(guò)這么多年的使用,他們的安全性能如何?是否對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅?這些都是亟待回答的問(wèn)題。近些年,地震、洪水、暴風(fēng)等自然災(zāi)害也對(duì)這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷;還有一些人為的爆炸等破壞性行為,如美國(guó)世貿(mào)大樓倒塌對(duì)周圍建筑物的影響。這些越來(lái)越引起人們的密切關(guān)注。如果能在災(zāi)難到來(lái)之前對(duì)其預(yù)測(cè),進(jìn)行評(píng)估,以趨利避害已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此,對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷,對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè),評(píng)估其安全性已經(jīng)成為未來(lái)工程的必然要求,也是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域,本文就此內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

2 健康監(jiān)測(cè)策略分析

雖然目前橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究遇到了一些困難和障礙,但是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究和應(yīng)用的重大價(jià)值和意義無(wú)論怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò),它是生命線工程防災(zāi)減災(zāi)的有效手段。

然而,應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到,橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不是萬(wàn)能的,尤其是限于目前的研究和應(yīng)用水平。由于缺乏有效的損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估的理論算法,使得橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能進(jìn)行有效的健康診斷。關(guān)于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康診斷問(wèn)題,本文提出以下兩個(gè)觀點(diǎn):

(1)目前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)健康診斷方面比較現(xiàn)實(shí)也是能夠做到的是:在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝的初期,結(jié)構(gòu)一般是處在健康狀態(tài)的(現(xiàn)階段未發(fā)現(xiàn)異常),通過(guò)長(zhǎng)期一段時(shí)間的監(jiān)測(cè),可以得到不同時(shí)間序列內(nèi)的橋梁在各種環(huán)境下的各力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)代表了橋梁的健康狀態(tài)。將這些大量的數(shù)據(jù)樣本按某種映射關(guān)系投射到一個(gè)“超球體”內(nèi),則超球體的表面就是橋梁健康與否的分界面。

(2)在橋梁健康預(yù)警方面,可行的做法是:據(jù)橋梁特點(diǎn)和材料強(qiáng)度,設(shè)定位移監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)的闡值,一旦監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閥值,則報(bào)警。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文根據(jù)現(xiàn)有的研究和應(yīng)用,將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分三個(gè)等級(jí),即長(zhǎng)期在線自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、定期離線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定期養(yǎng)護(hù)健康檢測(cè)系統(tǒng)。長(zhǎng)期在線自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最高等級(jí)的健監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)適合于在特大跨徑復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)和具有重大戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵橋梁上使用。該等級(jí)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn):傳感器長(zhǎng)期設(shè)在橋梁上,并通過(guò)相應(yīng)技術(shù)連接在一起,構(gòu)成感器子系統(tǒng)。各傳感器的數(shù)據(jù)采集通過(guò)健康監(jiān)測(cè)統(tǒng)中心控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的下達(dá)采集指令,觸發(fā)感器的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)直接自動(dòng)進(jìn)入健康監(jiān)測(cè)中央數(shù)據(jù)。橋梁管理部門和客戶可以通過(guò)Iniemet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)訪問(wèn)中央數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行健康診斷。

定期離線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是長(zhǎng)期在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)化,最大的區(qū)別是定期離線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和管理是離線的、人工的。與長(zhǎng)期在線自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)省掉了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集設(shè)備和軟件,無(wú)需大量的數(shù)據(jù)線并避免了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的數(shù)據(jù)精度的損失。

定期養(yǎng)護(hù)健康檢測(cè)系統(tǒng)適合于一般橋梁和對(duì)整個(gè)路線沿線的所有橋梁的健康監(jiān)測(cè),該系統(tǒng)的功能和性質(zhì)接近于一般橋梁的養(yǎng)護(hù)管理,可以這樣描述:橋梁管理部門購(gòu)置相應(yīng)的橋梁檢測(cè)設(shè)備,包括傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設(shè)備都存放于實(shí)驗(yàn)室,不長(zhǎng)期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設(shè)備對(duì)所轄橋梁進(jìn)行健康檢測(cè)。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測(cè)多個(gè)橋梁的健康狀況,同時(shí)設(shè)備容易維護(hù)、更換和更新。

4 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)施橋梁健康監(jiān)測(cè)的第一步。目前關(guān)于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、原則還沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),探討橋梁健康設(shè)計(jì)的一些原則。

從已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可以看出,這些橋梁健康監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置的數(shù)量、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有很大差異。這種差異一方面來(lái)自于橋梁結(jié)構(gòu)形式和所處地理環(huán)境的差異,另一方面來(lái)自于各健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的和投資額度的不同。本文認(rèn)為,橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循“因橋而異、因橋制宜、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區(qū)、不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容是不一樣的。不同地區(qū)的氣候、地質(zhì)環(huán)境會(huì)有很大差別,橋梁健康監(jiān)測(cè)的一部分內(nèi)容就包括對(duì)橋址處環(huán)境的監(jiān)測(cè),比如風(fēng)、地震、溫度等。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施費(fèi)用是昂貴的,因此,投資額是制約橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)備的重要因素。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)作效益一成本分析,設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基于以上分析,建議在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下步驟:

(l)針對(duì)具體橋梁,確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和功能。

(2)分析橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境狀況、運(yùn)營(yíng)情況,確定橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

(3)建立橋梁有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析,確定應(yīng)力相對(duì)不利的位置及動(dòng)力分析結(jié)果,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)優(yōu)化理論綜合確定測(cè)點(diǎn)布置方案。

(4)結(jié)合投資額度,廣泛調(diào)研現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,確定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目傳感器的選型。

5 結(jié)語(yǔ)

本章主要就健康監(jiān)測(cè)策略分析與框架設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。針對(duì)不同需求,梳理了三套橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架,以供橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和橋梁管理部門選用?？偨Y(jié)并提出了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟建議,可供橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。

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