凌奇昌，王國(guó)良，邢 屾，王寶峰

(1.北京安信卓越信息科技有限公司,北京 100088； 2.山東宏昌路橋集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 261031)

1 概述

我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于高速發(fā)展的階段，橋梁、隧道、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)技術(shù)愈發(fā)完善。但在這一階段建設(shè)的諸多結(jié)構(gòu)物卻處于一種“只建不養(yǎng)”“無(wú)人值守”的狀態(tài)[1-2]，導(dǎo)致出現(xiàn)如橋梁主體結(jié)構(gòu)崩塌，樓房倒塌等重大安全事故，造成重大社會(huì)影響。因此，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷并最大程度保證結(jié)構(gòu)安全成為了亟待深入的課題。隨著5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)手段被越來(lái)越多地應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行了深入研究。姜銳[3]以鐵路客站結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，具體介紹了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的內(nèi)容及系統(tǒng)構(gòu)成；王今朝[4]根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展需要,建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理系統(tǒng),對(duì)大跨度斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的若干方法及問題進(jìn)行了卓有成效的研究?？傮w來(lái)說，目前國(guó)內(nèi)研究多著眼于大型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)[5]，如港珠澳大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、滬通大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、武漢地鐵隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。但在中小項(xiàng)目中，健康監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用有限，多數(shù)項(xiàng)目還是依賴傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)。但是如果項(xiàng)目受環(huán)境以及作業(yè)空間等因素的影響較大，人工檢測(cè)實(shí)施起來(lái)就比較困難。本文將就該類結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)可行性進(jìn)行一些研究，旨在為以后的復(fù)雜環(huán)境項(xiàng)目檢測(cè)提供借鑒。

2 健康監(jiān)測(cè)概述

健康監(jiān)測(cè)是通過在結(jié)構(gòu)物上布設(shè)傳感設(shè)備，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)及響應(yīng)，從而分析結(jié)構(gòu)物施工或運(yùn)營(yíng)過程的安全狀態(tài)，健康監(jiān)測(cè)可以診斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，判斷損傷的位置，估計(jì)損傷的程度，判斷損傷對(duì)結(jié)構(gòu)可能造成的后果等。重要的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)物在施工或運(yùn)營(yíng)過程中安全狀況發(fā)生異常時(shí)，會(huì)第一時(shí)間觸發(fā)預(yù)警，從而起到保障結(jié)構(gòu)及人員安全的作用[6-8]。另外，健康監(jiān)測(cè)可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不間斷監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)過程得到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，得到結(jié)構(gòu)物的一些典型特征變化趨勢(shì)，可為其養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

因?yàn)槠涞湫偷娜ト肆μ攸c(diǎn)，健康監(jiān)測(cè)可以在極端氣候或者復(fù)雜環(huán)境下實(shí)施[9-10]，比如偏遠(yuǎn)地區(qū)項(xiàng)目、地下及深水施工、施工空間局限及阻斷交通困難、人員不方便24 h值守等情況。

3 項(xiàng)目概述及健康監(jiān)測(cè)的實(shí)施

某特大橋承臺(tái)施工項(xiàng)目，位于珠海市南部濱海地區(qū)，開挖承臺(tái)位于水道中央，橋位處主河道寬度620 m，河床標(biāo)高-1.5 m～-6.6 m，根據(jù)水位監(jiān)測(cè)情況水道施工常水位標(biāo)高1.5 m，考慮浪高0.5 m，設(shè)計(jì)洪水位標(biāo)高采用+2.786 m。

因?yàn)槭┕て谔幱诮涤炅考械难雌冢镜厮闹饕卣魇浅毕饔蔑@著，水位變化較大，最大設(shè)計(jì)水深達(dá)9.4 m。另外本項(xiàng)目開挖深度達(dá)21.0 m，水位以下接近19.0 m，施工過程人員和結(jié)構(gòu)的安全非常重要。承臺(tái)圍堰結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過程中，主要考慮了水位變化、圍堰本身的剛度和強(qiáng)度三個(gè)監(jiān)測(cè)因素，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)儀器見表1。

表1 監(jiān)測(cè)因素及監(jiān)測(cè)儀器表

本項(xiàng)目共用到應(yīng)變計(jì)32支，圍堰四面分別取上中下三層布置，內(nèi)支撐在端部和中心位置布置，應(yīng)力計(jì)32支，布設(shè)位置同應(yīng)變計(jì)，傾角傳感器8支，每個(gè)面上下各布置2支，水位計(jì)2支，布設(shè)于圍堰上下游5 m處。

4 健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用大型結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析軟件Midas Civil進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)受力分析，計(jì)算模型采用梁?jiǎn)卧鞍鍐卧M(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)共有節(jié)點(diǎn)14 212個(gè)，單元14 200個(gè)，建立模型如圖2所示。

考慮如下施工工序，荷載按照最不利計(jì)算取值。

安裝牛腿及第一道圍檁作為導(dǎo)向架，進(jìn)行鋼板樁圍堰打設(shè)，打設(shè)完畢后安裝第一道內(nèi)支撐；水下挖泥至-5.9 m標(biāo)高位置；澆筑0.9 m厚封底混凝土，封底標(biāo)高至-4.8 m；圍堰內(nèi)抽水至標(biāo)高-0.7 m，安裝第二道圍檁；拆除臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圍堰理論計(jì)算部分結(jié)果如圖3，圖4所示。

本次健康監(jiān)測(cè)采用知物云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集到的部分結(jié)果(2016年4月20日)如圖5～圖9所示。

由理論計(jì)算可知，結(jié)構(gòu)X向最大位移為5.44 mm，Y向最大位移為6.61 mm。結(jié)構(gòu)鋼板樁最大應(yīng)力45.7 MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力131.9 MPa。取施工期間一段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)X向最大位移為5.17 mm，Y向最大位移為5.75 mm。結(jié)構(gòu)鋼板樁最大應(yīng)力45.2 MPa，內(nèi)支撐最大應(yīng)力130.4 MPa。水位最高6.9 m，最低6.1 m。

由對(duì)比結(jié)果可知:

1)由于理論計(jì)算按最不利取值，同時(shí)考慮了一定的安全系數(shù)，所以實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果略有偏差。

2)實(shí)測(cè)結(jié)果大小及趨勢(shì)與理論計(jì)算結(jié)果吻合度極高。

3)因?yàn)橥獠凯h(huán)境及施工進(jìn)程的變化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有微小變化。

4)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)連續(xù)，貫穿整個(gè)施工過程。

5)三個(gè)月施工期間，項(xiàng)目有較高的安全儲(chǔ)備度。

5 健康監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

人工檢測(cè)可比喻為人的體檢，而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)則可比喻為住院觀察。病人往往在出現(xiàn)典型癥狀之前有些指標(biāo)已經(jīng)發(fā)生異常，靠不定期的體檢只能發(fā)現(xiàn)指標(biāo)突變，但住院觀察則會(huì)在指標(biāo)變化伊始就開始對(duì)癥治療。相對(duì)于人工檢測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)符合去人力化的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)檢測(cè)需要技術(shù)人員定期去項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)只需要第一次安裝測(cè)試到現(xiàn)場(chǎng)，此后很長(zhǎng)一段時(shí)間都是設(shè)備通過無(wú)線信號(hào)傳輸。

2)不受復(fù)雜氣象環(huán)境和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)偏僻及交通限制的影響，人工檢測(cè)受現(xiàn)場(chǎng)能見度以及雨霧天氣的影響較大，同時(shí)受偏遠(yuǎn)地區(qū)交通條件制約，此外地鐵、隧道等因空間有限，很多時(shí)候人工檢測(cè)需要阻斷交通，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)則不受上述條件制約。

3)有效降低了人為干預(yù)因素影響，人工檢測(cè)很多時(shí)候靠肉眼去采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，即便現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)，也受人為記錄或者測(cè)量誤差的影響，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)所采即所現(xiàn)，完全不受人為因素影響。

4)人工檢測(cè)的數(shù)據(jù)是由一些點(diǎn)組成的，靠點(diǎn)去模擬線，從而推斷病害發(fā)展趨勢(shì)，不能掌握點(diǎn)與點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)物狀態(tài)，但自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)則有實(shí)時(shí)性、全生命周期的特點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都會(huì)采集到，所采集的數(shù)據(jù)是一條線，不會(huì)漏掉每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)生異常時(shí)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警，時(shí)間周期可以貫穿結(jié)構(gòu)物整個(gè)建養(yǎng)過程，從而可以為建設(shè)單位和管養(yǎng)單位提供安全數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)單位提供理論支撐。

5)便于整個(gè)區(qū)域的一體化管理，諸多結(jié)構(gòu)物的數(shù)據(jù)可以同時(shí)在一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)展現(xiàn)，方便業(yè)主對(duì)整條道路的結(jié)構(gòu)物或者某個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行統(tǒng)一管理。

6)節(jié)省費(fèi)用，人工檢測(cè)需要多次去現(xiàn)場(chǎng)，交通費(fèi)用及設(shè)備費(fèi)用雖然單次少于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但當(dāng)時(shí)間段拉長(zhǎng)后，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的費(fèi)用要低于人工檢測(cè)的費(fèi)用。

7)針對(duì)本深水圍堰項(xiàng)目，相對(duì)人工檢測(cè)，健康監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)見表2。

表2 本深水圍堰項(xiàng)目人工檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)優(yōu)劣對(duì)比表

6 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)檢測(cè)在一些復(fù)雜環(huán)境下實(shí)施有較大困難，例如本項(xiàng)目，地處河道中央，水位較深，同時(shí)作業(yè)空間有限，健康監(jiān)測(cè)在此類項(xiàng)目的檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

本文旨在對(duì)位于特殊施工環(huán)境的項(xiàng)目實(shí)施健康監(jiān)測(cè)的案例說明，以及通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證在特殊或者復(fù)雜施工環(huán)境下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可行性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以便對(duì)其他類似受空間或者時(shí)間等制約的負(fù)責(zé)項(xiàng)目提供一種檢測(cè)方法的借鑒。

健康監(jiān)測(cè)盡管在一些特殊環(huán)境下有一定優(yōu)勢(shì)，但其受電子設(shè)備自身的穩(wěn)定性影響較大，周期較長(zhǎng)的情況下會(huì)受制于硬件產(chǎn)品的質(zhì)量；此外健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)的真正利用率偏低，如何基于大數(shù)據(jù)方法得出一些結(jié)構(gòu)內(nèi)在破壞規(guī)律及健康狀態(tài)，以及破壞發(fā)展趨勢(shì)是接下來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。