王偉寧

(華鐵工程咨詢有限責(zé)任公司,北京 100055)

1 概述

近幾十年來,由于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段不足等原因,導(dǎo)致世界范圍內(nèi)橋梁災(zāi)難性事故的頻發(fā)。其中世界上最具代表性的有：美國的Tokoma懸索橋、英國的Yuys-ygwas拱橋、韓國漢城中央大橋等,這些災(zāi)難性事故造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡,社會影響極大。因此,如何對已投入運(yùn)營的為國計(jì)民生服務(wù)的橋梁安全使用狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控,確保人民生命和國家財(cái)產(chǎn)安全,是當(dāng)今橋梁界應(yīng)用和研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

伴隨著美國“數(shù)字化地球、數(shù)字化國家以及數(shù)字化城市”理念的誕生,歐、美、日等技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家在核心的國家基礎(chǔ)設(shè)施(如大壩、核電站、橋梁、石油管道、高層建筑等大型構(gòu)造物)上,利用飛速發(fā)展的信息化技術(shù)建立了高效的監(jiān)管平臺,服務(wù)于社會。就國內(nèi)現(xiàn)狀而言,相對大壩等領(lǐng)域,國內(nèi)大型橋梁信息化、數(shù)字化監(jiān)管技術(shù),作為21世紀(jì)新興的橋梁技術(shù)研究延伸探索領(lǐng)域,只是處于一種萌芽狀態(tài),經(jīng)驗(yàn)尚不足。而國內(nèi)原有橋梁常規(guī)的監(jiān)管方式和手段已被這些年來的實(shí)踐證明是落后的,不能較好地滿足現(xiàn)代化大型橋梁管養(yǎng)的實(shí)際需求。諸如四川小南門橋、重慶綦江彩虹橋、遼寧盤錦大橋、江蘇武進(jìn)橋的坍塌,海印大橋、濟(jì)南黃河橋、珠海淇澳大橋的拉索銹蝕突發(fā)斷裂等一系列橋梁災(zāi)害,正是因?yàn)椤爸唤ú火B(yǎng)或養(yǎng)護(hù)管理不到位、不得法”現(xiàn)狀的真實(shí)印證,造成很大的資源浪費(fèi)和不良的社會效應(yīng)。因此,在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天,利用日益發(fā)展的橋梁計(jì)算分析技術(shù)、信息技術(shù)以及損傷分析識別等綜合技術(shù),為橋梁結(jié)構(gòu)建立運(yùn)營安全監(jiān)測系統(tǒng),科學(xué)管養(yǎng)、掌控橋梁的安全使用狀態(tài),避免災(zāi)難性事故的發(fā)生,顯得愈加迫切與必要。

2 現(xiàn)行制度規(guī)范的要求和發(fā)展

鑒于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價(jià)系統(tǒng)已在世界上得到廣泛應(yīng)用,國際橋梁協(xié)會于2003年7月在瑞士決定制訂有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的國際規(guī)程,以指導(dǎo)和推動該項(xiàng)技術(shù)在各國的應(yīng)用。很多研究者正致力于研究并制定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南和規(guī)范,如：Lauzon[1]等提出了一個(gè)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議；美國Dexrel大學(xué)的Aktan教授[2～3]等制定了比較詳細(xì)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南；加拿大ISIS組織的主席Mufti教授[4]也主持起草了一份結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指南。最近,英國的研究者制定了一個(gè)指導(dǎo)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指南。受國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作委員會委托,香港理工大學(xué)以高贊明教授為首的課題組也正致力于研究制定專門用于大跨索橋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南,哈爾濱工業(yè)大學(xué)以歐進(jìn)萍院士為代表的團(tuán)隊(duì)也正在努力進(jìn)行這方面的工作。

橋梁的安全監(jiān)測規(guī)范目前正處于交通部研究制定的過程中,在2007年交通部發(fā)布的《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》(交公路發(fā)[2007]336號)中已經(jīng)明確提出了需要對特大橋梁進(jìn)行運(yùn)營期的安全監(jiān)測的要求。如“第四章 橋梁檢查與評定第二十四條”明確:“特大橋、特殊結(jié)構(gòu)橋梁和單孔跨徑60 m及以上大橋的檢測評定工作應(yīng)符合以下規(guī)定：…(三)對特別重要的特大橋,應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)?！?；“第六章 技術(shù)檔案管理第三十二條”規(guī)定:“橋梁管養(yǎng)單位和監(jiān)管單位應(yīng)建立健全公路橋梁技術(shù)檔案管理制度,大力推廣應(yīng)用公路橋梁管理系統(tǒng),及時(shí)更新橋梁技術(shù)數(shù)據(jù),保證公路橋梁技術(shù)檔案真實(shí)完整,實(shí)現(xiàn)電子化管理。特別重要的特大型橋梁應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的電子檔案管理系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。”

在2009年浙江省交通廳發(fā)布的《浙江省公路橋梁養(yǎng)護(hù)與管理辦法》(浙交[2009]96號)文件的“第九章 技術(shù)與檔案管理”中提出：“第五十五條 公路橋梁監(jiān)管單位和管養(yǎng)單位應(yīng)建立健全公路橋梁技術(shù)檔案管理制度,應(yīng)用公路橋梁管理系統(tǒng),及時(shí)更新橋梁技術(shù)數(shù)據(jù),保證公路橋梁技術(shù)檔案真實(shí)完整,逐步實(shí)現(xiàn)電子化管理。”；“第五十六條 特別重要的特大型公路橋梁應(yīng)建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和安全預(yù)警系統(tǒng),逐步提高利用信息化手段對橋梁進(jìn)行監(jiān)管的能力。”

《國家地震監(jiān)測管理?xiàng)l例》等相關(guān)部門對大跨徑橋梁運(yùn)營期的安全監(jiān)測系統(tǒng)都提出了明確的要求。2009年,貴州建設(shè)單位為壩陵河大橋運(yùn)營安全監(jiān)測系統(tǒng)制定了專項(xiàng)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn),成為國內(nèi)首個(gè)大橋運(yùn)營安全監(jiān)測系統(tǒng)專項(xiàng)評定標(biāo)準(zhǔn)。

3 監(jiān)測意義、依據(jù)及內(nèi)容

橋梁運(yùn)營安全監(jiān)測的意義主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論并指導(dǎo)后續(xù)同類橋梁的設(shè)計(jì)。如香港理工大學(xué)建立了風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測臺風(fēng)及其對青馬大橋的影響,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為可以適當(dāng)放寬抗風(fēng)要求,該結(jié)論直接指導(dǎo)了昂船洲大橋的設(shè)計(jì),使昂船洲大橋的關(guān)于風(fēng)荷載的考慮更加明確、真實(shí)；中鐵大橋局武漢橋科院在位于西部山區(qū)峽谷的貴州壩陵河大橋(中國最大跨度鋼桁懸索橋)上同樣布設(shè)了風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng),其監(jiān)測數(shù)據(jù)將直接指導(dǎo)山區(qū)大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)；二是對運(yùn)營過程中結(jié)構(gòu)的狀態(tài)(含地震等特殊事件)實(shí)施監(jiān)測與安全預(yù)警評估,如武漢橋科院在陽邏長江大橋、貴州壩陵河大橋上對地震后的狀況進(jìn)行快速評估；三是指導(dǎo)實(shí)施科學(xué)的管養(yǎng)維護(hù)服務(wù),如青馬橋在支座失效后,利用監(jiān)測系統(tǒng)分析PTFE支座失效原因,評估更換PTFE支座時(shí),對橋身鋼結(jié)構(gòu)和鐵路伸縮縫的影響。

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和安全評估應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載能力和極限狀態(tài)相關(guān)。我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)明確了公路橋涵應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)(Ultimate Limite State或ULS)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)(Service Limite State或SLS),故應(yīng)將兩種極限狀態(tài)作為橋梁健康監(jiān)測與評估工作的法理依據(jù)。

正常使用極限狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件在SLS荷載作用或卸載后,不會產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)損傷,我們稱之為健康構(gòu)件。但當(dāng)荷載超過SLS指標(biāo)時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件有可能產(chǎn)生損傷。因此,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可定義為用傳感器或相關(guān)設(shè)備去監(jiān)測主要構(gòu)件在SLS荷載作用下的位移和應(yīng)力等分布狀態(tài)；而結(jié)構(gòu)安全評估則定義為應(yīng)用測量數(shù)據(jù)和分析工具去評估結(jié)構(gòu)構(gòu)件在其服役期內(nèi),達(dá)到或超越SLS荷載指標(biāo)時(shí),是否會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷。相應(yīng)地,傳感器和其相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)監(jiān)測范圍應(yīng)在SLS的變化幅度之內(nèi),而ULS荷載指標(biāo)則用于結(jié)構(gòu)安全評估時(shí)作為構(gòu)件的損傷或失效狀況的參考指標(biāo)[5]。

監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)營應(yīng)反映大橋的實(shí)時(shí)整體結(jié)構(gòu)健康狀況,由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測只限于監(jiān)測大橋各主要構(gòu)件在SLS荷載下的位移和應(yīng)力分布狀況,則結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估的運(yùn)營策略可以分為3種運(yùn)營或預(yù)警狀況。在此以構(gòu)件應(yīng)力為控制指標(biāo)加以說明,則3種狀況如表1所示,其中σm為監(jiān)測應(yīng)力結(jié)果,σSLS為正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力指標(biāo)。

表1 運(yùn)營策略

大跨度橋梁所需要的監(jiān)測的物理變量一般可以分為4個(gè)類別,即：環(huán)境荷載、運(yùn)營荷載、橋梁特征以及橋梁響應(yīng)。環(huán)境荷載是指強(qiáng)風(fēng)、溫度、地震、腐蝕以及沖刷等；運(yùn)營荷載是指公路、鐵路以及船舶撞擊等日常的交通運(yùn)營荷載；橋梁特征是指橋梁的靜態(tài)特征(如靜力影響系數(shù)及影響線等)和動態(tài)特征(如模態(tài)頻率、振動模態(tài)、模態(tài)阻尼比以及模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)等)；橋梁響應(yīng)是指幾何變形、應(yīng)力狀況、位移狀況、索力、疲勞狀況、連接件受力以及振動響應(yīng)等。在測試中傳感器的選取是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),選擇的傳感器需滿足：(1)量程足夠、精度高、耐久性好；(2)動態(tài)測試傳感器的有效頻帶范圍應(yīng)包含橋梁的振動信號；(3)傳感器的靈敏度足夠高；(4)符合物理量類型的要求,盡量不要通過積分來得到所需物理量的值,避免因此產(chǎn)生不必要的算術(shù)誤差。圖1～圖3舉例說明幾個(gè)常見物理量的表達(dá)方式,以供參考。

圖1 朝天門大橋橋面溫度監(jiān)測

圖2 陽邏大橋汶川地震監(jiān)測

圖3 壩陵河大橋關(guān)嶺地震后評估

監(jiān)測項(xiàng)目可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、健康監(jiān)測和安全評估的運(yùn)營策略以及規(guī)范相關(guān)規(guī)定制定,常規(guī)的監(jiān)測項(xiàng)目則如表2所示。

4 發(fā)展與展望

美國在20世紀(jì)80年代中后期,開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器,如佛羅里達(dá)州的Sunshine Skyway斜拉橋安裝了500多個(gè)各類傳感器,用來測量橋梁建設(shè)過程中和建成后橋梁的溫度、應(yīng)變及位移。英國在20世紀(jì)80年代后期,開始研制和安裝大型橋梁的檢測儀器和設(shè)備,研究和比較了多種長期監(jiān)測系統(tǒng)的方案,并在愛爾蘭Foyle鋼箱梁橋安裝了監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要監(jiān)測項(xiàng)目包括主梁撓度、氣象數(shù)據(jù)、溫度、應(yīng)變等,試圖探索一套有效的、可廣泛應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)。希臘的Halkis橋于1994年安裝了有48個(gè)通道的振動加速度傳感器的測振系統(tǒng)。丹麥曾對總長1 726 m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測；在大帶橋(Great Belt Bridge)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)中,安裝了近200個(gè)各類傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)的溫度分布、結(jié)構(gòu)沉降、位移、振動等進(jìn)行監(jiān)測。英國的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋、美國的Benicia-Martinez鋼桁架橋、挪威的Skarmsundet斜拉橋、墨西哥的Tampico斜拉橋、加拿大的Confederation連續(xù)鋼構(gòu)橋等也安裝了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。在亞洲,日本的明石海峽大橋、瀨戶內(nèi)海大橋、柜石島橋主要安裝了風(fēng)速儀、加速度傳感器、位移計(jì)等,對于橋梁結(jié)構(gòu)的氣候環(huán)境、振動、結(jié)構(gòu)沉降等進(jìn)行監(jiān)測。

表2 橋梁監(jiān)測項(xiàng)目

我國國內(nèi)目前已在包括江陰長江大橋、南京長江二橋、潤揚(yáng)長江大橋、鄭州黃河大橋、錢江四橋、蕪湖長江大橋、蘇通大橋、陽邏長江大橋、貴州壩陵河大橋、杭州灣跨海大橋、深圳西部通道等眾多橋梁在內(nèi)的大跨徑橋梁上建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)。另外,中國香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上已安裝了目前世界上規(guī)模最大的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測系統(tǒng),3座橋梁共安裝了800多個(gè)各類傳感器,對橋梁在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)狀況、環(huán)境狀況進(jìn)行全面的監(jiān)測,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。而包含大約1 271個(gè)各類傳感器的昂船洲大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是世界上最具規(guī)模的大橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為國際上的研究熱點(diǎn),大量的研究成果紛紛涌現(xiàn),大量研究論文公開發(fā)表,其內(nèi)容包括智能傳感器、傳感器的優(yōu)化布置、數(shù)據(jù)的無線傳輸、損傷識別方法、橋梁狀態(tài)評估、橋梁生命周期管理養(yǎng)護(hù)等。目前,橋梁安全性評估方法所采用的理論主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。

另外,召開了眾多以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為主題的國際性會議,如：國際健康監(jiān)測研討會,歐洲健康監(jiān)測研討會,新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研討會及智能結(jié)構(gòu)和健康監(jiān)測會議。還有國際模態(tài)會議、SPIE年會、歐洲智能結(jié)構(gòu)和材料會議、國際結(jié)構(gòu)控制會議等,也都有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識別的專題。從1997年開始,在Stanford大學(xué)召開每兩年一屆的國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會議；2002年,意大利國際結(jié)構(gòu)控制協(xié)會更名為國際結(jié)構(gòu)控制與健康監(jiān)測協(xié)會；2003年,第一屆國際智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測學(xué)術(shù)會議在日本東京召開,并成立了相應(yīng)的學(xué)術(shù)組織；另外,美國土木工程師協(xié)會也成立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制分會,展開各種學(xué)術(shù)交流。我國自20世紀(jì)90年代中期開始橋梁健康監(jiān)測方向的研究,并且在國家科委、國家自然科學(xué)基金委員會的多個(gè)項(xiàng)目的支持下,在大型橋梁結(jié)構(gòu)病害調(diào)查、傳感器最優(yōu)布點(diǎn)、結(jié)構(gòu)損傷識別、系統(tǒng)識別、結(jié)構(gòu)剩余可靠度評定、橋梁結(jié)構(gòu)理論模型修正以及斜拉橋結(jié)構(gòu)環(huán)境變異性等方面開展了深入的研究。全國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研討會于2005年9月21日～22日在南京召開。第三屆中日美三國結(jié)構(gòu)控制和健康監(jiān)測會議暨第四屆全國結(jié)構(gòu)控制會議于2005年10月14日～15日在大連理工大學(xué)召開。第二屆國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會議于2005年11月16日～18日在深圳召開。第四屆中日美結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測學(xué)術(shù)會議暨第五屆中國結(jié)構(gòu)控制年會于2006年10月16日、17日在浙江大學(xué)舉行。

大跨度橋梁運(yùn)營期監(jiān)測技術(shù)研究目前仍然處于探索階段,需要多學(xué)科的進(jìn)一步交叉與發(fā)展,基本實(shí)現(xiàn)大型橋梁長期監(jiān)測,并達(dá)到自動、經(jīng)濟(jì)、不妨礙交通的要求,尚有許多問題有待研究。長期監(jiān)測技術(shù)的最終成功應(yīng)用,必將促進(jìn)結(jié)構(gòu)安全(對地震,強(qiáng)風(fēng)等強(qiáng)烈自然災(zāi)害后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行快速和有效的評估,為維修決策提供依據(jù)),延長結(jié)構(gòu)使用壽命(提早發(fā)現(xiàn)不定時(shí)的損傷累積,為有效遏制事態(tài)嚴(yán)重化提供保障)和科學(xué)探索(揭示結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以驗(yàn)證現(xiàn)有橋梁理論)等方面產(chǎn)生重大的技術(shù)變革。

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