文 浙江大學(xué) 段元鋒 浙大城市學(xué)院 張茹

隨著信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，運用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)對橋梁在復(fù)雜環(huán)境下的災(zāi)變行為模擬及實時監(jiān)測，及時獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和所處環(huán)境的信息特征，進(jìn)行一體化橋梁管養(yǎng)技術(shù)各方面的探索，對于促進(jìn)我國交通強國的建設(shè)具有重要的意義。

大跨纜索承重橋梁由于優(yōu)越的跨越能力和經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于跨江、跨河、跨海灣和跨峽谷的重要交通工程，具有重要的社會、經(jīng)濟、軍事意義。目前我國已建多座千米級大跨徑懸索橋和主跨超過500米的斜拉橋，是世界上大跨徑纜索承重橋梁最多的國家之一。

然而，由于該類結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、規(guī)模較大，材料自身存在缺陷、施工偏差，在強風(fēng)、重載、船撞、環(huán)境腐蝕等不利因素作用下，已建纜索承重橋梁容易出現(xiàn)各種病害，導(dǎo)致其出現(xiàn)橋梁線形變化過大、構(gòu)件老化、破損等問題，使橋梁結(jié)構(gòu)承載能力降低，甚至可能引起全橋垮塌，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。近年來，國內(nèi)外橋梁安全事故頻發(fā)，引發(fā)了社會對橋梁，特別是對大跨索承重橋安全問題的強烈關(guān)注。

災(zāi)變模擬技術(shù)

由于地震、臺風(fēng)、暴雪、火災(zāi)、撞擊、爆炸等災(zāi)害作用，結(jié)構(gòu)的倒塌破壞事故頻發(fā)。如2001年9月美國紐約世界貿(mào)易中心雙塔遭受飛機撞擊，引發(fā)樓內(nèi)大火，一號樓撞擊層的上部結(jié)構(gòu)傾斜倒塌，下部結(jié)構(gòu)在倒塌沖擊力的作用下接連發(fā)生破壞，導(dǎo)致整棟樓發(fā)生連續(xù)性倒塌；二號樓上部結(jié)構(gòu)向下塌落，也發(fā)生連續(xù)性倒塌破壞，其余5座建筑物也因受震而坍塌損毀。2008年5月，我國四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生特大地震，導(dǎo)致房屋、橋梁等大面積倒塌。事實上由偶然事件造成的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是一種低概率高損失的結(jié)構(gòu)安全事故，這也使得結(jié)構(gòu)倒塌破壞分析等災(zāi)變模擬技術(shù)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

其中，結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的力學(xué)本質(zhì)，是連續(xù)體到非連續(xù)體動態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，以及此過程中出現(xiàn)的非線性動力接觸和碰撞，涉及幾何、材料和接觸三重非線性理論。

數(shù)值模擬的方法具有成本低、效率高和操作簡便等特點，是研究結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌行為的一種重要手段。倒塌破壞的數(shù)值模擬主要為有限單元法、離散單元法和向量式有限元法3種方法。

有限單元法是以變分理論和連體力學(xué)為基礎(chǔ)的一種分析方法。針對連續(xù)構(gòu)造體做有限元離散化處理，以便其行分析結(jié)構(gòu)，這是目前解決科學(xué)和工程問題最常用的分析方法。然而，在求解大變形、非線性或非連續(xù)性等問題時，有限元方法仍存在著本質(zhì)困難。離散單元法采用把不連續(xù)體采用分離的剛性元素模擬的方法可以處理不連續(xù)體的整體運動形態(tài)，但是由于離散元將單元的形心作為基本節(jié)點，形心之間的連接需要根據(jù)實際問題建立連接元，求解問題要求單元數(shù)目多，信息量大，計算時間長，對于復(fù)雜的問題，連接元的選取較為困難，在工程分析領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也受到了一定限制。非連續(xù)變性分析法是以多組不連續(xù)物理面分割而成的塊體系統(tǒng)為研究對象，利用最小勢能原理建立平衡方程，并通過罰函數(shù)法求解的分析方法。該方法可以較好地模擬不連續(xù)介質(zhì)的大變形和大位移的靜力及動力問題。

針對既有數(shù)值模擬計算方法在結(jié)構(gòu)行為分析中的不足，普渡大學(xué)丁承先教授基于向量力學(xué)與數(shù)值計算方法提出了向量式有限元法（Vector Form Intrinsic Finite Element簡稱“VFIFE”）的概念。該方法以結(jié)構(gòu)的物理計算模型為基礎(chǔ)，采用廣義向量力學(xué)作為運動和變形的準(zhǔn)則，以數(shù)值計算方法中常用的點值取代傳統(tǒng)分析力學(xué)中的連續(xù)函數(shù)微分控制方程，以此作為結(jié)構(gòu)行為描述的方式，故可以有效地處理結(jié)構(gòu)的大變形、大變位、非線性、接觸、斷裂，多體耦合等復(fù)雜行為。

目前，VFIFE已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的模擬分析中，如輸電塔地震倒塌模擬、空間結(jié)構(gòu)模擬、膜結(jié)構(gòu)及板殼結(jié)構(gòu)模擬、船舶碰撞模擬、海域結(jié)構(gòu)模擬等相關(guān)研究。浙江大學(xué)研究人員首次提出了向量式有限元纖維單元模型，充分利用向量式有限元自動考慮幾何非線性和纖維單元考慮材料非線性的優(yōu)點，實現(xiàn)了大跨索承橋大變形和倒塌的全過程模擬。

基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字孿生結(jié)合建立模型，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對檢（監(jiān)）測數(shù)據(jù)充分挖掘，將物理模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相融合，實現(xiàn)監(jiān)測模擬一體化，可以提高對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測、實時預(yù)警、在線評估和智能管控技術(shù)水平。

向量式有限元災(zāi)變預(yù)測模塊

災(zāi)變監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

索力監(jiān)測技術(shù)

懸索橋的纜索體系及斜拉橋的拉索均為橋梁結(jié)構(gòu)核心受力構(gòu)件，它們的受力狀態(tài)對于結(jié)構(gòu)的安全和健康狀態(tài)評估是至關(guān)重要的依據(jù)。因此，施工及運營階段的鋼索（束）受力監(jiān)測對于確保結(jié)構(gòu)安全具有重要的意義。傳統(tǒng)的應(yīng)力測量包括應(yīng)變監(jiān)測法、振動頻率法、壓力傳感器法等，只能監(jiān)測應(yīng)力的相對變化量，且均有不同程度的局限性。因此，如何高精度、無損地測量鋼索（束）的實際受力情況具有重要的研究意義與工程應(yīng)用價值。

電磁彈式（EME）應(yīng)力監(jiān)測方法基于鋼構(gòu)件絕對應(yīng)力與構(gòu)件表面磁感應(yīng)強度之間的量化關(guān)系，利用智能磁電傳感元件精確測量磁信號，基于此設(shè)計結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了對鋼構(gòu)件的絕對應(yīng)力監(jiān)測。該項技術(shù)解決了鋼索（束）在役絕對應(yīng)力監(jiān)測難題，實現(xiàn)了高精度（相對誤差不超過1%）、長壽命、無損在線監(jiān)測和檢測，已成功用于泉州灣跨海大橋、椒江二橋等多項工程。

電磁彈式鋼索束索力儀

拉索損傷監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)有的拉索局部損傷無損監(jiān)測方法主要有電磁探傷法、聲發(fā)射法、超聲導(dǎo)波法等。

電磁探傷法利用磁化裝置將斜拉索磁化，通過電磁感應(yīng)技術(shù)，根據(jù)鋼絲繩損傷部位產(chǎn)生的磁信號來判斷其損傷情況，還可以對缺陷損傷部位橫截面積進(jìn)行定量判斷，該方法操作較為簡單且成本低，但還需要解決周圍環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)等干擾因素對測量結(jié)果的影響等問題。

聲發(fā)射法的基本原理為，在材料的內(nèi)部出現(xiàn)損傷的情況時，會形成瞬時彈性波，朝四周進(jìn)行擴散和傳播，其中的損傷部位也就是聲發(fā)射的源頭。聲發(fā)射技術(shù)能夠呈現(xiàn)出較好的靈敏性及實時性特征。有結(jié)果表明，經(jīng)過連續(xù)時間、幅值、能量，以及時間相關(guān)點圖等對損傷進(jìn)行綜合表征，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對全過程損傷的跟蹤，還能夠準(zhǔn)確找出斷絲的位置，同時判斷斷絲信號及非斷絲信號。聲發(fā)射波形傳播是一個極其復(fù)雜的過程，受材料性能、結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、傳感器特性等諸多方面影響，該方法目前在實際工程中推廣引用存在較大困難。

超聲導(dǎo)波法能夠?qū)崿F(xiàn)單點激勵，長距離、高精度檢測被廣泛應(yīng)用于拉索、管道等的局部損傷監(jiān)（檢）測中。研究人員提出了一種基于磁致伸縮傳感器的超聲導(dǎo)波拉索局部損傷監(jiān)測法，實現(xiàn)了對拉索的局部損傷定位和損傷程度估計。該方法采用半解析有限元的方法研究了多絲結(jié)構(gòu)的頻散特性，選取了合適的激勵信號頻率；采用單發(fā)單收的方式獲取了不同損傷狀態(tài)下的導(dǎo)波信號；利用小波變換提取信號的有效成分，根據(jù)損傷回波信號的走勢進(jìn)行損傷定位，并通過計算直達(dá)波與反射回波信號的能量評估損傷程度。目前，該方法已成功應(yīng)用于七芯鋼絞線和大直徑拉索的斷絲、銹蝕監(jiān)測中。

拉索銹蝕檢測實驗示意圖

螺栓連接松動監(jiān)測技術(shù)

螺栓連接作為一種常用的連接結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于土木工程、機械工程和航天工程中。螺栓連接控制著整個結(jié)構(gòu)的連接緊固度，亦關(guān)系著整體結(jié)構(gòu)的安全使用和有效運行。由于其使用位置、環(huán)境、溫度、濕度等因素都制約著螺栓的緊固程度，所以在設(shè)計螺栓、使用螺栓時應(yīng)保證其安全性和可靠性。

現(xiàn)有的螺栓連接松動監(jiān)測法主要有壓電阻抗法、振動法、超聲導(dǎo)波法等。壓電阻抗法需要阻抗分析儀等繁瑣的實驗設(shè)備，且價格昂貴，不適合現(xiàn)場隨時監(jiān)測；檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，需要使用大量傳感器，不利于信號的儲存、采集和分析。

振動法對于螺栓預(yù)緊力的變化并不敏感，導(dǎo)致該技術(shù)的監(jiān)測靈敏度較差。超聲導(dǎo)波法基于信號的能量變化能夠很好地反映螺栓的緊固狀態(tài)，被認(rèn)為具有極大的工程應(yīng)用潛力。相比于目前廣泛采用的壓電式蘭姆波傳感器，磁致伸縮式剪切波傳感器具有安裝方便、造價低、信號穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小等特點。采用單發(fā)單收的方式從連接結(jié)構(gòu)一側(cè)激發(fā)超聲導(dǎo)波，另一端接收，利用直達(dá)波信號的能量變化表征連接區(qū)域的有效接觸面積變化，從而評估螺栓的緊固狀態(tài)。通過對比有限元仿真與實驗測試結(jié)果，重合度較高，均能夠準(zhǔn)確預(yù)測螺栓群的損傷狀態(tài)。

螺栓連接松動監(jiān)測實驗示意圖

未來技術(shù)展望

數(shù)字孿生技術(shù)作為能夠?qū)崿F(xiàn)虛實空間交互的先進(jìn)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)仿真及試驗條件限制，實現(xiàn)以最快速度、最優(yōu)成本掌握結(jié)構(gòu)的實際運行狀態(tài)，為大跨纜索承重橋梁等結(jié)構(gòu)的運維智能化提供了新的途徑和契機?；诮Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字孿生結(jié)合建立模型，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對檢（監(jiān)）測數(shù)據(jù)充分挖掘，將物理模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相融合，實現(xiàn)監(jiān)測模擬一體化，可以提高對結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測、實時預(yù)警、在線評估和智能管控技術(shù)水平。

臺風(fēng)、地震、重載和溫度變化等因素對大跨度橋梁變形影響很大。實時監(jiān)測大跨度橋梁變形，獲取其工作狀態(tài),是保障橋梁安全的重要手段。然而，目前還沒有可以高效實時監(jiān)測橋梁動態(tài)絕對位移的儀器設(shè)備。建立一個實時、自動化、高精度的絕對位移監(jiān)測系統(tǒng)，也是未來發(fā)展的重要趨勢。