呂強(qiáng)

（合肥市正茂科技有限公司，合肥 230088）

1 引言

從近年來陸續(xù)暴露出的重大橋梁事故原因分析來看，絕大多數(shù)安全事故的起因都與橋梁健康監(jiān)測(cè)及維修保養(yǎng)工作未落實(shí)有關(guān)，在此背景下，人們?cè)絹碓疥P(guān)注橋梁健康監(jiān)測(cè)工作，希望通過此手段改善橋梁工程整體質(zhì)量，保障人們出行安全。隨著近年來我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，各類現(xiàn)代化高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)信號(hào)采集技術(shù)得到更新與優(yōu)化，成為橋梁健康監(jiān)測(cè)的有益幫手。本文從公路橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警2 個(gè)方面展開論述，希望能為相關(guān)單位及企業(yè)提供借鑒。

2 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)研究

2.1 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)的意義

當(dāng)代道路橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)并不是對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是在結(jié)合了現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)應(yīng)用后，搭建全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不間斷地獲取橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息及環(huán)境載荷數(shù)據(jù)，通過對(duì)各類數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以此作為橋梁維修及養(yǎng)護(hù)人員的參考信息[1]。公路橋梁健康監(jiān)測(cè)的意義在于：

1）檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。通過檢測(cè)，可幫助路橋管理人員評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，從而及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)病害，并對(duì)潛在安全隱患進(jìn)行預(yù)警；除此之外，還能助工作人員準(zhǔn)確識(shí)別橋梁各構(gòu)件的損傷情況，以便后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理工作的正常開展。

2）保證施工階段的安全與質(zhì)量。對(duì)道路橋梁進(jìn)行周期性檢測(cè)，可以有效避免施工過程中一些風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全和施工質(zhì)量。

3）及時(shí)發(fā)送事故預(yù)警。通過檢測(cè)，可對(duì)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，建立橋梁正常運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的各項(xiàng)動(dòng)力、靜力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)信息集，從而在大橋遭遇突發(fā)大荷載、極端天氣變化或嚴(yán)重過載事故時(shí)觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，避免重大安全事故的發(fā)生。

2.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

加強(qiáng)對(duì)橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要目的是希望通過相關(guān)技術(shù)手段的應(yīng)用，達(dá)到對(duì)特殊氣候、交通條件及異常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的橋梁健康評(píng)估，以便發(fā)出預(yù)警，從而使橋梁結(jié)構(gòu)得到及時(shí)有效的維修與保養(yǎng)，確保橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)功能豐富的多學(xué)科集成系統(tǒng)，是以橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)為主，以信號(hào)處理、狀態(tài)分析、損傷識(shí)別等多種手段為輔的橋梁機(jī)構(gòu)科學(xué)評(píng)估體系。該系統(tǒng)的有效運(yùn)用為實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，規(guī)避各類潛在安全風(fēng)險(xiǎn)提供了有力支撐。

20 世紀(jì)90 年代末，同濟(jì)大學(xué)針對(duì)徐浦大橋主梁撓度、混凝土應(yīng)變、振動(dòng)加速度、斜拉索索力、車輛荷載、環(huán)境溫濕度等指標(biāo)的綜合監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了符合大橋?qū)嶋H情況的集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開創(chuàng)了中國(guó)在運(yùn)營(yíng)橋梁健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的先河[2]。

為了解重慶大佛寺大橋主梁應(yīng)變情況，研究人員在該橋建設(shè)階段，在其5 個(gè)關(guān)鍵截面安裝了40 個(gè)光纖法珀傳感器，并在主塔上安裝了大量程高分辨力的激光撓度計(jì)，首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光電撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和光纖法珀應(yīng)變傳感器的橋梁工程應(yīng)用[3]；在進(jìn)行湛江海灣大橋設(shè)計(jì)過程中，為方便后期的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了包活應(yīng)變傳感器、振動(dòng)傳感器、索力傳感器、溫濕度傳感器等在內(nèi)的103 個(gè)各類傳感器，并配合使用GPS 系統(tǒng)，為橋梁重要子部位位移變化情況監(jiān)測(cè)提供了可能，同時(shí)，還能夠在強(qiáng)風(fēng)、船撞或者地震等突發(fā)情況下監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)。

對(duì)道路橋梁進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)時(shí)，呈現(xiàn)出3 個(gè)主要特征：（1）針對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)要素，包括橋梁應(yīng)變，橋梁線性，以及橋梁振動(dòng)速度等，全面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合自然環(huán)境，加深監(jiān)測(cè)效果，輔以交通荷載監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)等，進(jìn)而提升全橋監(jiān)測(cè)效果；（2）監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)庫的組成，需要將施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及橋梁施工前的有限元模型計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果等錄入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，形成原始數(shù)據(jù)庫，為后期橋梁施工安全監(jiān)測(cè)和橋梁評(píng)估提供理論數(shù)據(jù)支持；（3）以健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，并輔以人工巡檢方式實(shí)現(xiàn)橋梁安全預(yù)警評(píng)估。

2.3 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要目的是記錄橋梁信息，以為橋梁運(yùn)維人員提供理論依據(jù)。系統(tǒng)主要由橋梁基本數(shù)據(jù)庫管理模塊、橋梁損傷評(píng)價(jià)模塊及橋梁維修管理計(jì)劃優(yōu)化模塊3 個(gè)模塊構(gòu)成，系統(tǒng)模塊彼此相互獨(dú)立，又相輔相成，但在具體應(yīng)用實(shí)踐中，研究人員可根據(jù)需求以任意一個(gè)模塊為切入點(diǎn)執(zhí)行程序。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要由3 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，他們分別是橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)、維修加固記錄系統(tǒng)和橋梁巡檢檢查記錄系統(tǒng)。

1）橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要存儲(chǔ)的是橋梁基本信息數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)功能是為后期橋梁日常管理提供理論依據(jù)。通過橋梁基本信息系統(tǒng)應(yīng)用，可檢索、瀏覽橋梁結(jié)構(gòu)基本信息，以方便橋梁運(yùn)維人員進(jìn)行及時(shí)的、科學(xué)有效的橋梁檢查與維修。

2）檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置的主要目的是將各類檢測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，并以圖表形式呈現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移情況。

3）維修、加固記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)就是能夠針對(duì)曾接受過維修加固處理的橋梁信息進(jìn)行記錄，并存儲(chǔ)于檔案之中。信息內(nèi)容包括維修、加固時(shí)間、方法、原因等，以便在其他橋梁出現(xiàn)類似情況時(shí)有第一手參考資料。

3 公路橋梁安全預(yù)警研究

3.1 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)內(nèi)容與體系研究

從現(xiàn)階段我國(guó)道路橋梁管護(hù)工作實(shí)際現(xiàn)狀來看，管護(hù)任務(wù)比較繁重，而傳統(tǒng)的人工巡檢、管護(hù)方式顯然已經(jīng)無法滿足大量管護(hù)作業(yè)的要求，為此，必須通過自動(dòng)化技術(shù)手段，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)檢測(cè)及預(yù)警，為管護(hù)人員提供技術(shù)指導(dǎo)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)體系不僅維護(hù)費(fèi)用高，還存在維護(hù)難度大等劣勢(shì)，無法應(yīng)用于中小跨徑橋梁。在此，本研究在傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，研究出一種適用于一般公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)體系[4]。在系統(tǒng)應(yīng)用中，需結(jié)合不同橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)置監(jiān)測(cè)內(nèi)容，優(yōu)化布點(diǎn)設(shè)計(jì)。概括而言，其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面：

1）橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)方面，主要針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)位移及振動(dòng)加速度等方面進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。

2）橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期準(zhǔn)靜態(tài)幾何變位。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期準(zhǔn)靜態(tài)幾何變位的監(jiān)測(cè)，主要是對(duì)橋梁是否出現(xiàn)了墩臺(tái)變形或基礎(chǔ)沉降等現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。

3）橋梁環(huán)境參數(shù)。橋梁環(huán)境就是指橋梁所在地的外部氣候環(huán)境，包括風(fēng)向、溫濕度等。

4）通行橋梁荷載參數(shù)。荷載一般指橋梁運(yùn)營(yíng)荷載，如行駛于橋梁之上的車輛荷載。

5）橋梁特定構(gòu)件。特定構(gòu)件就是指橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)承受的吊桿力、支座反力及位移、裂縫等。

3.2 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)估體系

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)橋梁建筑管理單位對(duì)于橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)評(píng)估體系的應(yīng)用一般是基于橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息資料，將橋梁既有信息及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀等信息與橋梁健康狀態(tài)評(píng)估閾值進(jìn)行比較，根據(jù)其存在的差值進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行判斷。因此，此安全預(yù)警監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建過程中，需做好構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)、選擇評(píng)價(jià)方法及設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值等工作。在體系應(yīng)用實(shí)踐中，一旦某橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過既定閾值，安全預(yù)警系統(tǒng)便會(huì)自行啟動(dòng)，啟動(dòng)預(yù)警作用。

一般在評(píng)估橋梁運(yùn)營(yíng)安全性時(shí)，主要有兩種選擇，即根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直接評(píng)估和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化量評(píng)估法。前者是根據(jù)橋梁某一時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行橋梁健康狀態(tài)直接評(píng)估，以準(zhǔn)確掌握橋梁運(yùn)營(yíng)期間的承載能力水平、行車適用性及結(jié)構(gòu)耐久性等；而后者則根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)多次監(jiān)測(cè)結(jié)果與初始值的對(duì)比分析，根據(jù)其出現(xiàn)的變化量與對(duì)應(yīng)的均方差限值比較，判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載力、耐久性是否滿足橋梁安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)。中小跨徑橋梁綜合評(píng)定流程如圖1 所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評(píng)定流程

3.3 公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)方法與理論

結(jié)合靈敏度較高的傳感器，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行記錄。然后采用相關(guān)技術(shù)手段進(jìn)行分析處理后，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，同時(shí)，采用隨機(jī)方法進(jìn)行環(huán)境荷載激振動(dòng)力監(jiān)測(cè)。此環(huán)節(jié)中，可用方法較多，如正弦激振法、沖擊激振和行車荷載激振等。通常情況下，在監(jiān)測(cè)過程中一般以大型載重車輛通過時(shí)的剎車激振測(cè)試為主，只有此種測(cè)試方式能夠幫助研究人員全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的各類動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)。動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)原理

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與養(yǎng)護(hù)輔助決策系統(tǒng)性能評(píng)定過程中，一般會(huì)同步進(jìn)行橋梁激振，然而，在具體實(shí)踐中一般會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)條件影響，需盡可能減少人工作業(yè)量。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)激振操作，通常是對(duì)自然使用狀態(tài)下的橋梁環(huán)境荷載及橋上通行荷載情況監(jiān)測(cè)，以便于后期橋梁管養(yǎng)“自動(dòng)化”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

3.4 公路橋梁安全預(yù)警測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置

在布置橋梁動(dòng)力點(diǎn)時(shí)，要結(jié)合上述理論分析結(jié)果及橋梁具體情況進(jìn)行科學(xué)布置，一般選擇橋梁縱向測(cè)試截面布置法。主要方法如下：

1）簡(jiǎn)支梁：測(cè)點(diǎn)布置一般按照4 分跨間距進(jìn)行，但這一制式并不絕對(duì)，對(duì)于一些跨度較大、精度要求較高的簡(jiǎn)支梁，也可選擇6 分跨布置方式。

2）連續(xù)梁：2 跨連續(xù)梁參照簡(jiǎn)支梁2 跨同時(shí)布置；3 跨及以上連續(xù)梁，主跨、邊跨均按8 分跨間距同時(shí)布置；如果某橋梁跨度較小，精度要求較低，主跨可按4 分或6 分跨進(jìn)行布置。

3）拱橋：布置橋梁自振特性測(cè)點(diǎn)時(shí)，可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)跨度大小情況按8 分跨間距進(jìn)行布，測(cè)點(diǎn)數(shù)量一般是豎向、橫向可各1 個(gè)，其他動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)不少于3 個(gè)。

4 結(jié)語

橋梁健康狀態(tài)檢測(cè)及預(yù)警體系研究是現(xiàn)階段大荷載量、通行量情況下的橋梁運(yùn)維工作的必然發(fā)展記過，本研究在傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)，提出適合大多數(shù)公路橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測(cè)內(nèi)容與評(píng)判體系”。在建設(shè)橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，要本著以自動(dòng)化為主，人工為輔原則進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，本文還專門針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用中的公路橋梁安全預(yù)警測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，希望能為相關(guān)人員提供科學(xué)借鑒。