吳智深

(1.東南大學(xué)城市工程科學(xué)技術(shù)研究院,南京 211100;2.長(zhǎng)大橋梁安全長(zhǎng)壽與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211100)

橋隧是高速公路路網(wǎng)必不可少的組成部分,是交通運(yùn)輸?shù)闹匾d體。橋隧的安全性、耐久性和適用性對(duì)保障交通運(yùn)輸具有重要作用。為了適應(yīng)橋隧長(zhǎng)期安全服役、高效運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的需求,各國(guó)開(kāi)展了大量研究并制定了一系列針對(duì)橋隧維護(hù)管理的政策和措施。例如,美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局在2005 年啟動(dòng)了“橋梁長(zhǎng)期性能項(xiàng)目”,旨在通過(guò)全美高速公路橋梁的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),促進(jìn)對(duì)橋梁性能老化和退化等結(jié)構(gòu)病變的認(rèn)識(shí)和理解,最終實(shí)現(xiàn)橋梁的合理維護(hù)并延長(zhǎng)其使用壽命。歐盟啟動(dòng)了“可持續(xù)橋梁:評(píng)估未來(lái)的交通需求和更長(zhǎng)使用壽命項(xiàng)目”,通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析技術(shù),制定適合的維護(hù)管理措施,以達(dá)到延長(zhǎng)在役橋梁使用壽命25%的目標(biāo)。日本國(guó)土交通省提出了“基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)壽命化國(guó)家基本計(jì)劃”,該計(jì)劃的目的是在結(jié)構(gòu)發(fā)生致命性損傷前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)采取修復(fù)和加固措施,從而保障橋梁、隧道等重大基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全,盡可能延長(zhǎng)其安全服役期。預(yù)計(jì)到2030 年,該計(jì)劃可實(shí)現(xiàn)因老化等病變導(dǎo)致的零重大事故的目標(biāo)。2011 年?yáng)|日本大地震后,日本進(jìn)一步提出了“國(guó)土強(qiáng)韌化”政策,旨在通過(guò)提高維護(hù)管理水平等手段,提升橋隧等重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的災(zāi)變應(yīng)對(duì)能力,進(jìn)而建立抗災(zāi)韌性化國(guó)家體系。我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái),交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施得到明顯加強(qiáng)。中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2022 年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示,截至2022 年年底,全國(guó)公路橋梁103.32萬(wàn)座、8576.49萬(wàn)延米,其中特大橋8816座、1621.44萬(wàn)延米,大橋15.96萬(wàn)座、4431.93萬(wàn)延米;全國(guó)公路隧道24850處、2678.43萬(wàn)延米,其中特長(zhǎng)隧道1 752 處、795.11 萬(wàn)延米,長(zhǎng)隧道6 715 處、1 172.82 萬(wàn)延米。另外,交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)維護(hù)管理的策略提出了更高要求,從傳統(tǒng)的事后性維護(hù)管理、周期性維護(hù)管理,逐步向預(yù)防性維護(hù)管理,乃至預(yù)知性維護(hù)管理發(fā)展。然而橋隧結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中產(chǎn)生病變和災(zāi)變的因素眾多,同時(shí)存在多因素的耦合作用等。這需要借助各種精準(zhǔn)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)手段,獲取能夠反映結(jié)構(gòu)病變和災(zāi)變特征的有效數(shù)據(jù),從而通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別,進(jìn)而對(duì)已發(fā)生和將要發(fā)生的病變和災(zāi)變因素進(jìn)行及時(shí)預(yù)警,并為后續(xù)的預(yù)防和治理提供有效的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)[1]。

由于橋隧結(jié)構(gòu)規(guī)模巨大、構(gòu)造復(fù)雜、影響因素眾多,局部單一物理量的監(jiān)測(cè)已難以有效地反映結(jié)構(gòu)整體的劣化進(jìn)程,更為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring,SHM)技術(shù)得到迅速發(fā)展。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家不斷開(kāi)展關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及的傳感技術(shù)以及評(píng)估技術(shù)的研究探索。目前已基本解決了具有明顯損傷或已處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)的工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、分析與評(píng)估問(wèn)題。然而,對(duì)于損傷不明顯的早中期階段,以及處于快速劣化中晚期的安全監(jiān)測(cè)和維護(hù)管理仍是當(dāng)前的公認(rèn)難題。比如應(yīng)變通常被認(rèn)為對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感,但現(xiàn)有的各類(lèi)應(yīng)變計(jì)包括先進(jìn)的光纖光柵傳感器都屬于點(diǎn)式傳感器,它們對(duì)橋隧等大型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)監(jiān)測(cè)過(guò)于局部,導(dǎo)致很難就病變和災(zāi)變關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)。又如加速度計(jì)、位移計(jì)、傾角儀等監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)宏觀指標(biāo)的整體監(jiān)測(cè)儀器,理論上損傷后結(jié)構(gòu)的固有頻率、位移和轉(zhuǎn)角等宏觀指標(biāo)會(huì)變化,但結(jié)構(gòu)宏觀指標(biāo)的監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷并不敏感,加之噪聲等問(wèn)題,實(shí)際工程應(yīng)用中很難得到有效的監(jiān)測(cè)效果。在評(píng)估技術(shù)方面,如何建立結(jié)構(gòu)整體和局部多尺度的損傷識(shí)別,以及分析多種因素作用下?lián)p傷演化規(guī)律是橋隧結(jié)構(gòu)健康評(píng)估的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。然而由于監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足,加上材料特性的離散性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性,很難對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做到及時(shí)、科學(xué)的分析評(píng)估,特別是早期損傷關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化一般很小,目前尚缺乏針對(duì)性的監(jiān)測(cè)技術(shù)和有效的評(píng)估方法。

為了加快建設(shè)橋隧病變和災(zāi)變?cè)缙诒O(jiān)測(cè)的技術(shù)系統(tǒng),本文首先針對(duì)早期監(jiān)測(cè)的必要性,分析橋梁和隧道的典型損傷及其病理信息,并對(duì)近年來(lái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究的最新工作進(jìn)行綜述。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究存在的關(guān)鍵問(wèn)題,介紹作者所提出的滿足大型橋隧結(jié)構(gòu)整體和局部的結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感監(jiān)測(cè)理念,以及基于區(qū)域分布式監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)識(shí)別方法。進(jìn)而針對(duì)結(jié)構(gòu)病變和災(zāi)變?cè)缙诰珳?zhǔn)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求,從傳感方法、損傷識(shí)別原理、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立方法等方面進(jìn)行分析。最后,利用宏應(yīng)變(macro-strain)模態(tài)具有對(duì)局部損傷敏感的特性,在相關(guān)學(xué)者針對(duì)宏應(yīng)變模態(tài)的實(shí)測(cè)、應(yīng)用等研究工作的基礎(chǔ)上,闡述各類(lèi)病變和災(zāi)變?cè)缙诒O(jiān)測(cè)解決方案和實(shí)施效果。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)目標(biāo)與研究現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目標(biāo)

在過(guò)去的三十年中,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)被設(shè)計(jì)和實(shí)施,并繼續(xù)發(fā)展、改進(jìn)和監(jiān)測(cè)各種類(lèi)型的工程結(jié)構(gòu)在其服役壽命下的結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)行條件[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)在役狀態(tài)進(jìn)行健康評(píng)估的過(guò)程,通過(guò)在結(jié)構(gòu)上布設(shè)大規(guī)模、多種類(lèi)的傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,診斷損傷并評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的核心目標(biāo)是利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及早識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷并評(píng)估結(jié)構(gòu)當(dāng)前和未來(lái)的健康狀態(tài),及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù),保證結(jié)構(gòu)的安全。

1.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

在實(shí)際工程中對(duì)SHM 存在大量需求,但現(xiàn)有SHM 技術(shù)的實(shí)際功效受到質(zhì)疑,尤其在損傷識(shí)別方面[2-6]。為了更好地闡述SHM 現(xiàn)狀,以下將會(huì)從傳感技術(shù)、傳感器功能和系統(tǒng)綜合性能幾個(gè)方面來(lái)闡述現(xiàn)有技術(shù)是否能有效地實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別。

1.2.1 傳感技術(shù)現(xiàn)狀

從傳感方式和獲得的信息上看,可以將現(xiàn)有傳感技術(shù)分為局部傳感技術(shù)和整體傳感技術(shù)。

局部傳感技術(shù)的基本理念是在事先掌握可能發(fā)生損傷位置的情況下,通過(guò)點(diǎn)式傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷的大小、程度、隨時(shí)間的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常見(jiàn)的點(diǎn)式傳感器包括應(yīng)變計(jì)(也包括點(diǎn)式的光纖傳感器)、裂縫計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)、位移計(jì)等。利用這些傳感器可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的局部監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。比如在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),可以通過(guò)局部傳感技術(shù)對(duì)混凝土構(gòu)件上探明損傷處或結(jié)構(gòu)局部敏感位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)其力學(xué)性能變化。實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)受力情況一般比較復(fù)雜,且相應(yīng)結(jié)構(gòu)多由非均質(zhì)材料構(gòu)成,對(duì)于大尺度混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,單個(gè)應(yīng)變片很難實(shí)現(xiàn)該部位的準(zhǔn)確應(yīng)變測(cè)量。通常情況下應(yīng)對(duì)這一難題的方法是盡可能多地在關(guān)鍵區(qū)域布置應(yīng)變片,再對(duì)該區(qū)域的點(diǎn)式應(yīng)變求平均值來(lái)近似得到區(qū)域的平均應(yīng)變。然而,傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)分布或準(zhǔn)分布測(cè)量,而光纖布里淵散射等分布式傳感技術(shù)在精度和動(dòng)態(tài)測(cè)試等方面的指標(biāo)有待提高,因此它們都無(wú)法適用于上述高性能、高精度的結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感[7]。

整體傳感技術(shù)的基本理念,是針對(duì)事先不知道損傷是否存在或可能發(fā)生損傷但位置不明了的結(jié)構(gòu),實(shí)施整體傳感。常見(jiàn)的傳感器包括加速度計(jì)、位移計(jì)、傾角儀、GPS(global positioning system,全球定位系統(tǒng))等,利用這些傳感器可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的加速度、位移和轉(zhuǎn)角等宏觀參數(shù)。整體傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式包括連續(xù)監(jiān)測(cè)方式和定期監(jiān)測(cè)方式,也可以應(yīng)用于一些特殊要求的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?？傮w上,結(jié)構(gòu)整體傳感技術(shù)種類(lèi)多,工程應(yīng)用相對(duì)普遍。由于各類(lèi)傳感器的測(cè)量參數(shù)各不相同,通常需要采用數(shù)量眾多的不同類(lèi)型傳感器以滿足大型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和分析需要,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜,為構(gòu)建有效統(tǒng)一的監(jiān)管系統(tǒng)帶來(lái)難度。其次,動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的整體傳感技術(shù)過(guò)于宏觀,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)損傷相關(guān)性弱,未達(dá)到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用的要求,尤其是測(cè)量精度不夠和實(shí)用性不足的問(wèn)題突出。如采用拉線式位移計(jì)測(cè)撓度的相關(guān)技術(shù)比較成熟,但在實(shí)橋測(cè)試中由于很難找到測(cè)試基點(diǎn),該方式難以直接應(yīng)用于橋下為河流或者交通要道的監(jiān)測(cè)對(duì)象。又如GPS 位移測(cè)量技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中基本可以滿足厘米級(jí)橫向靜位移的測(cè)量,然而對(duì)于縱向位移尤其是毫米級(jí)縱向動(dòng)位移,該技術(shù)尚無(wú)法滿足微小變形測(cè)量的要求。再如連通管轉(zhuǎn)角測(cè)量技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單,被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、邊坡等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,但由于該技術(shù)精度相對(duì)較低,且易受惡劣天氣影響,長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足導(dǎo)致不能提供有效的評(píng)估依據(jù)。又如基于激光的位移傳感技術(shù)具有較高的短期精度,但激光的發(fā)生裝置相對(duì)復(fù)雜且價(jià)格昂貴,與此同時(shí)它對(duì)位移的測(cè)量精度同樣受到測(cè)量距離的影響,為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了難度。常規(guī)傳感監(jiān)測(cè)(局部傳感、整體傳感)現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 常規(guī)傳感監(jiān)測(cè)(局部傳感、整體傳感)現(xiàn)狀

1.2.2 傳感器功能現(xiàn)狀

在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,傳感器是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備,然而現(xiàn)有的傳感器大多只能完成單一的測(cè)量任務(wù),如測(cè)量應(yīng)變、位移、加速度等,這使傳感器不能同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)不同方面的信息。而且需要部署大量的傳感器才能全面監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況,這會(huì)增加監(jiān)測(cè)的成本和復(fù)雜度,并且在數(shù)據(jù)采集和處理方面造成困難。另外,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要長(zhǎng)期、持續(xù)地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài),但由于外界環(huán)境的影響、傳感器自身的壽命以及長(zhǎng)期使用帶來(lái)的疲勞等因素,現(xiàn)有的傳感器易出現(xiàn)失效或數(shù)據(jù)偏差,在現(xiàn)場(chǎng)部署大量傳感器時(shí),還需要考慮傳感器的可靠性和維護(hù)成本等問(wèn)題。以橋梁為例,作為世界上跨度最大懸索橋的日本明石海峽大橋,它的SHM 系統(tǒng)使用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的12 類(lèi)不同目的、不同傳感方式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于單一局部或整體傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2 所示。這些傳感器收集的數(shù)據(jù)類(lèi)型和頻率均不相同,產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量很大,要準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)狀態(tài),需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,提取結(jié)構(gòu)健康信息并及時(shí)報(bào)告異常情況。然而,由于數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜,橋梁工程師和管理者難以快速找出關(guān)鍵信息,尤其是在識(shí)別早期病變或疑難病癥時(shí)更為困難,這導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能充分發(fā)揮其應(yīng)有作用,影響了對(duì)于監(jiān)測(cè)技術(shù)的信任和認(rèn)可程度。因此,需要采用智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)協(xié)助橋梁工程師和管理者解決相應(yīng)問(wèn)題,提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理效率和準(zhǔn)確性,保障橋梁和隧道的健康和安全。

圖2 基于單一局部或整體傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2.3 系統(tǒng)綜合性能現(xiàn)狀

常用的全局結(jié)構(gòu)傳感器包括加速度計(jì)、陀螺傳感器、傾角傳感器和其他幾種類(lèi)型,通過(guò)這些傳感器可以測(cè)量和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)加速度、位移、扭轉(zhuǎn)變形等宏觀指標(biāo)和響應(yīng)。常用的局部傳感器包括應(yīng)變片等器件,或點(diǎn)式光纖傳感器,可用于監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和測(cè)量接縫和連接等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)中的裂紋、腐蝕等損傷。眾多類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要各種類(lèi)型的傳感器,這導(dǎo)致SHM 系統(tǒng)的復(fù)雜性和高成本?，F(xiàn)有傳感系統(tǒng)的綜合性能對(duì)比(以光纖類(lèi)為例)如圖3 所示,光纖光柵傳感系統(tǒng)雖然具有精度高、可滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的特點(diǎn),但其本質(zhì)為點(diǎn)式傳感,不能滿足大型結(jié)構(gòu)大范圍分布測(cè)量的要求。而光纖布里淵散射[BOTDR/BOTDA(布里淵光時(shí)域反射/布里淵光時(shí)域分析)]等傳感技術(shù)雖然在一定程度上可滿足分布式測(cè)量的要求,但此類(lèi)技術(shù)輸出應(yīng)變是根據(jù)在一定可識(shí)別范圍內(nèi)(最小空間分辨率)以一定采樣間隔依次排列的多個(gè)點(diǎn)的多次連續(xù)采樣后的特征值,特別是對(duì)混凝土裂縫計(jì)算或非均布應(yīng)變測(cè)量時(shí),在不了解其傳感特性的情況下會(huì)造成計(jì)算誤差,對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)測(cè)試等方面的指標(biāo)有待提高。

圖3 現(xiàn)有傳感系統(tǒng)的綜合性能對(duì)比(以光纖類(lèi)為例)

因此,上述光纖傳感技術(shù)在一定范圍內(nèi)雖有各自的優(yōu)勢(shì),但均無(wú)法同時(shí)滿足橋梁、隧道等大型土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)于精度、動(dòng)態(tài)、大范圍分布以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的綜合性能要求。

2 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感監(jiān)測(cè)

2.1 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感監(jiān)測(cè)理念

人體包括大腦、心臟等關(guān)鍵部位,這些重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)與保養(yǎng)對(duì)人體的健康起到?jīng)Q定性作用。與此類(lèi)似,橋隧結(jié)構(gòu)體系龐大、構(gòu)件復(fù)雜,同樣也包括一些對(duì)結(jié)構(gòu)安全起到關(guān)鍵作用的區(qū)域。橋隧結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域是指對(duì)結(jié)構(gòu)性能起到重要作用或容易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的區(qū)域,例如大跨懸索橋梁,其易損的破壞區(qū)域包括跨中的撓度過(guò)大區(qū)域、橋墩的開(kāi)裂破壞區(qū)域、梁塔接合部位的疲勞開(kāi)裂區(qū)域以及主纜斷絲區(qū)域等。

作者在研究過(guò)程中依據(jù)醫(yī)學(xué)中對(duì)人體關(guān)鍵部位(如心臟、肺部等)的健康診斷,提出了針對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的區(qū)域分布傳感的理念,結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感探測(cè)原理與人體早期病變?cè)\斷關(guān)系[8]如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感探測(cè)原理與人體早期病變?cè)\斷關(guān)系

其基本理念是通過(guò)在關(guān)鍵區(qū)域布設(shè)傳感器實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè),以實(shí)施有效的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)并保證其健康安全。類(lèi)似于人體對(duì)自身關(guān)鍵部位的自感知功能,區(qū)域分布傳感技術(shù)是采用一種具有損傷覆蓋能力的傳感單元(幾厘米到幾米長(zhǎng)度或幾平方厘米到幾平方米面積)進(jìn)行串聯(lián)覆蓋一個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域(幾米到幾十米長(zhǎng)度或幾平方米到幾十平方米面積),然后各區(qū)域再連接形成覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)的區(qū)域分布傳感網(wǎng)絡(luò)。在文獻(xiàn)[1]中分別對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域傳感理論、結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)、損傷識(shí)別方法以及結(jié)構(gòu)性能評(píng)估方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。

2.2 宏微觀結(jié)合的區(qū)域分布傳感技術(shù)

2.2.1 區(qū)域分布傳感技術(shù)

應(yīng)變作為對(duì)結(jié)構(gòu)損傷最敏感的指標(biāo)之一,在結(jié)構(gòu)性能評(píng)估中受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)應(yīng)變技術(shù)包括電阻應(yīng)變片、鋼弦式應(yīng)變計(jì)和PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電傳感器等相關(guān)的電子式應(yīng)變傳感技術(shù),由于其通過(guò)電導(dǎo)線進(jìn)行信號(hào)傳輸,在信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中存在損耗率大的問(wèn)題。伴隨著光纖通信的快速發(fā)展,各種光纖傳感技術(shù)應(yīng)勢(shì)而出。光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、傳感一體化、系統(tǒng)集成性高及分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),適合土木結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),因此該技術(shù)成為應(yīng)變傳感技術(shù)主流。

然而,正如前文提到的,光纖光柵或布里淵散射光傳感依然在傳感技術(shù)、功能、系統(tǒng)綜合性能方面存在不足。為此,作者及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)橋隧結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的“整體”和“局部”傳感問(wèn)題,依據(jù)提出的區(qū)域分布傳感理念及區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)[9],發(fā)明了適合獲得結(jié)構(gòu)宏觀和微觀信息的區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)[10]。該技術(shù)采用光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)[11-14]或布里淵散射光纖[15-16]作為傳感芯線,通過(guò)長(zhǎng)標(biāo)距化使輸出能夠反映被測(cè)結(jié)構(gòu)一定區(qū)域或特征尺度范圍內(nèi)的物理量變化,實(shí)現(xiàn)區(qū)域分布應(yīng)變動(dòng)靜態(tài)測(cè)量。此外,為克服傳統(tǒng)光纖易脆斷、易滑移、耐久性差等缺點(diǎn),區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)采用高耐久纖維復(fù)合材料進(jìn)行光纖封裝以提高耐久性,通過(guò)光纖與樹(shù)脂界面黏結(jié)變剛度設(shè)計(jì)解決光纖錨固難的技術(shù)問(wèn)題,通過(guò)改變傳感器標(biāo)距內(nèi)部段截面剛度實(shí)現(xiàn)增敏效果。同時(shí)區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)可以串聯(lián)形成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè),將結(jié)構(gòu)局部與整體結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的高精度、動(dòng)靜態(tài)監(jiān)測(cè),為進(jìn)行結(jié)構(gòu)全面識(shí)別和多層次分析提供基礎(chǔ)[17-18]。區(qū)域分布傳感器如圖5 所示。

圖5 區(qū)域分布傳感器

2.2.2 區(qū)域分布傳感器的傳感性能

區(qū)域分布傳感器的傳感性能主要包括區(qū)域分布傳感器的靜態(tài)測(cè)試性能、可重復(fù)測(cè)試性能、動(dòng)態(tài)測(cè)試性能以及耐久性能。

1) 區(qū)域分布傳感器的靜態(tài)測(cè)試性能

區(qū)域分布傳感器的靜態(tài)測(cè)試性能主要是標(biāo)定其傳感器的應(yīng)變傳感系數(shù)及其在應(yīng)變拉伸過(guò)程中的線性度。傳感器靜態(tài)測(cè)試性能裝置如圖6 所示,標(biāo)定裝置由固定端、活動(dòng)端、支架、旋轉(zhuǎn)裝置和千分表組成。千分表對(duì)于1 m 標(biāo)距長(zhǎng)度傳感器的精度為1 個(gè)微應(yīng)變,其所測(cè)值作為標(biāo)準(zhǔn)值(真實(shí)值),通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置逐步增加傳感器的應(yīng)變從而得到實(shí)測(cè)應(yīng)變變化和傳感器中心波長(zhǎng)變化的關(guān)系,不失一般性,在小應(yīng)變情況下增加的應(yīng)變幅度為20 個(gè)微應(yīng)變,在大應(yīng)變情況下增加的應(yīng)變幅度為50～200 個(gè)微應(yīng)變。

圖6 傳感器靜態(tài)測(cè)試性能裝置

傳感器靜態(tài)測(cè)試性能的試驗(yàn)結(jié)果[1]如圖7 所示,本次試驗(yàn)標(biāo)定了傳感器在封裝前后的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。傳感器在封裝前后的靈敏度系數(shù)基本不變,即封裝材料本身不改變傳感器的靈敏度系數(shù),每一個(gè)傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)基本在1.2 με/pm左右,圖7 中橫坐標(biāo)是根據(jù)千分表實(shí)測(cè)的位移除以標(biāo)距長(zhǎng)度換算的微應(yīng)變,縱坐標(biāo)為光纖光柵解調(diào)儀實(shí)測(cè)的波長(zhǎng)變化。

圖7 傳感器靜態(tài)測(cè)試性能的試驗(yàn)結(jié)果

2) 區(qū)域分布傳感器的可重復(fù)測(cè)試性能

區(qū)域分布傳感器可重復(fù)性測(cè)試的目的是驗(yàn)證傳感器在反復(fù)荷載作用下的可重復(fù)性效果如何,這關(guān)系到實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)在反復(fù)車(chē)輛荷載作用下傳感器的精度問(wèn)題。區(qū)域分布傳感器可重復(fù)性測(cè)試性能的裝置如圖8 所示,試驗(yàn)中采用了兩個(gè)標(biāo)距為20 cm 的傳感器粘貼在懸臂梁上,懸臂梁的端部有一個(gè)吊重,通過(guò)逐步增大砝碼質(zhì)量或逐步減小砝碼質(zhì)量來(lái)模擬反復(fù)荷載的作用。

圖8 區(qū)域分布傳感器可重復(fù)性測(cè)試性能的裝置

區(qū)域分布傳感器可重復(fù)性測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果[1]如圖9 所示,橫坐標(biāo)為端部加載的重量,縱坐標(biāo)為傳感器的測(cè)試應(yīng)變,通過(guò)反復(fù)5 次加載-卸載過(guò)程的測(cè)試結(jié)果表明,五條應(yīng)變-荷載曲線基本重合在一起,且都能回到零點(diǎn)位置,這進(jìn)一步說(shuō)明封裝的傳感器具有非常好的可重復(fù)測(cè)試性能。

圖9 區(qū)域分布傳感器可重復(fù)性測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

3) 區(qū)域分布傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試性能

區(qū)域分布傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試性能裝置及測(cè)試結(jié)果如圖10 所示,在一懸臂梁上布置一個(gè)標(biāo)距長(zhǎng)度為20 cm 的已完成封裝的應(yīng)變傳感器,作為比較,同時(shí)布置一個(gè)傳統(tǒng)加速度傳感器,在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下典型應(yīng)變時(shí)程如圖10(b)所示。由于是在單點(diǎn)錘擊激勵(lì),典型應(yīng)變時(shí)程是一種自由衰減過(guò)程。

圖10 區(qū)域分布傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試性能裝置及測(cè)試結(jié)果

對(duì)所測(cè)得的長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和加速度時(shí)程分別進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)分析,其所得的應(yīng)變頻譜上出現(xiàn)4 個(gè)明顯峰值點(diǎn),對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)前四階自振頻率(第一階2.47Hz,第二階15.49Hz,第三階43.77Hz,第四階85.56 Hz),加速度頻譜圖上出現(xiàn)了3 個(gè)明顯的峰值點(diǎn),對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的三階自振頻率(第一階2.48 Hz,第三階43.74 Hz,第四階85.5 Hz),加速度傳感器沒(méi)有識(shí)別出結(jié)構(gòu)的第二階自振頻率,其原因是加速度傳感器布置在結(jié)構(gòu)第二階位移模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上(振型幅值接近于零的地方),比較區(qū)域分布傳感器和加速度傳感器識(shí)別出來(lái)的結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)現(xiàn),區(qū)域分布傳感器具有傳統(tǒng)加速度傳感器良好的動(dòng)態(tài)測(cè)試性能(整體模態(tài)參數(shù)識(shí)別)。

4) 區(qū)域分布傳感器的耐久性能

本課題組對(duì)本文封裝的區(qū)域分布傳感器進(jìn)行一系列耐久性測(cè)試(疲勞、紫外線輻射、干濕、酸腐蝕、堿腐蝕等測(cè)試),測(cè)試結(jié)果表明,區(qū)域分布傳感器在考慮各種因素影響下其傳感性能變化非常小(在2%以內(nèi)),傳感器耐久性能測(cè)試結(jié)果[1]如圖11 所示。

圖11 傳感器耐久性能測(cè)試結(jié)果

2.2.3 宏微觀結(jié)合、損傷覆蓋的傳感方法

區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)的一個(gè)重要思想是測(cè)量結(jié)構(gòu)在一定標(biāo)距內(nèi)的宏應(yīng)變,而非一個(gè)點(diǎn)的局部應(yīng)變,滿足結(jié)構(gòu)區(qū)域-構(gòu)件-整體全面監(jiān)測(cè)的區(qū)域分布傳感技術(shù)如圖12 所示。

圖12 滿足結(jié)構(gòu)區(qū)域-構(gòu)件-整體全面監(jiān)測(cè)的區(qū)域分布傳感技術(shù)

通過(guò)宏應(yīng)變直接反映和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、轉(zhuǎn)角等宏微觀信息并實(shí)現(xiàn)損傷覆蓋。區(qū)域分布應(yīng)變傳感器針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷可能發(fā)生的區(qū)域進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè),所輸出的區(qū)域分布應(yīng)變與位移、轉(zhuǎn)角、荷載等有直接關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了單種傳感技術(shù)具有各類(lèi)結(jié)構(gòu)的損傷覆蓋監(jiān)測(cè)的“一專”優(yōu)勢(shì),同時(shí)滿足高精度動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變、應(yīng)力、變形、轉(zhuǎn)角、沉降等各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的“多能”特點(diǎn),從而利用這種“一專多能”的區(qū)域分布傳感器,獲得類(lèi)似于人體通過(guò)多層次檢查的有效傳感數(shù)據(jù),這才能從實(shí)際意義上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病變和災(zāi)變的早期監(jiān)測(cè)。

2.2.4 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變與變形轉(zhuǎn)角、荷載、內(nèi)力及動(dòng)力參數(shù)的直接映射關(guān)系

1) 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變

實(shí)際上,任何應(yīng)變傳感器都有一定的測(cè)量標(biāo)距,每個(gè)傳感器將覆蓋一定范圍的結(jié)構(gòu),為便于統(tǒng)一說(shuō)明,這里假定應(yīng)變都是在一定長(zhǎng)度范圍的宏應(yīng)變。以典型的歐拉梁為例,假設(shè)一組標(biāo)距為L(zhǎng)m的應(yīng)變傳感器安裝在梁的底部,串聯(lián)這些傳感器即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分布式測(cè)量。標(biāo)距Lm的應(yīng)變傳感器測(cè)量的宏應(yīng)變[19]如圖13 所示。

圖13 標(biāo)距Lm 的應(yīng)變傳感器測(cè)量的宏應(yīng)變

對(duì)于每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括兩個(gè)自由度(一個(gè)平移和一個(gè)轉(zhuǎn)角)。對(duì)于i點(diǎn),點(diǎn)式應(yīng)變?nèi)缡?1)所示。

式中,yi為i點(diǎn)的中性軸高度;?i為i點(diǎn)的曲率;Mi為i點(diǎn)的彎矩。

對(duì)于m單元,宏應(yīng)變?nèi)缡?2)所示。

式中,ym為m單元的中性軸高度;θi、θj為m單元左右兩端的轉(zhuǎn)角位移。

由于m單元的曲率?m=,也等于i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)曲率的平均值。因此,對(duì)于沒(méi)有損傷的結(jié)構(gòu),m單元的宏應(yīng)變就是i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)應(yīng)變的平均值,其表達(dá)式如式(3)所示。

2) 區(qū)域分布應(yīng)變與變形轉(zhuǎn)角、荷載、內(nèi)力及動(dòng)力參數(shù)的直接映射關(guān)系

由上述分析可知,對(duì)于一個(gè)完整的結(jié)構(gòu),可通過(guò)區(qū)域分布應(yīng)變傳感器進(jìn)行分布式布設(shè),獲得結(jié)構(gòu)由點(diǎn)至線到面的完整應(yīng)變分布。在橋隧結(jié)構(gòu)中,梁、板、柱是非常普遍的構(gòu)件形式,而應(yīng)變分布作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)重要特征,能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)撓度、轉(zhuǎn)角、曲率、剛度、裂縫、應(yīng)力、動(dòng)力特性等結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的全面識(shí)別,結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變與變形轉(zhuǎn)角、荷載、內(nèi)力及動(dòng)力參數(shù)的直接映射關(guān)系如圖14 所示,從而達(dá)到根據(jù)各個(gè)參數(shù)從微觀局部到宏觀整體的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)及評(píng)估的目的。

圖14 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變與變形轉(zhuǎn)角、荷載、內(nèi)力及動(dòng)力參數(shù)的直接映射關(guān)系

為說(shuō)明通過(guò)應(yīng)變分布全面識(shí)別結(jié)構(gòu)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的方法和效果,以一組水平地震荷載作用下鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在該試驗(yàn)中,鋼筋混凝土柱的截面尺寸為0.2 m×0.2 m,柱身高1 m。在澆筑混凝土前,將區(qū)域分布應(yīng)變傳感單元通過(guò)與玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)復(fù)合形成自感知BFRP 增強(qiáng)材料,并與鋼筋一起綁扎從而直接監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中的應(yīng)變變化。其中內(nèi)置的區(qū)域分布應(yīng)變傳感單元標(biāo)距為10 cm,自感知BFRP 布設(shè)位置如圖15 所示。

圖15 自感知BFRP 布設(shè)位置

基于結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變測(cè)量的結(jié)構(gòu)多參數(shù)識(shí)別結(jié)果[1]如圖16 所示,圖16(a)顯示了柱身各單元的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果,結(jié)果表明在加載后期尤其鋼筋屈服后,柱角處的應(yīng)變?cè)黾痈@著。進(jìn)而通過(guò)各單元的應(yīng)變輸入模型反演各單元的曲率、柱頂位移和轉(zhuǎn)角,結(jié)果分別如圖16(b)至圖16(d)所示。結(jié)果表明,反演結(jié)果與直接測(cè)量的荷載、位移、轉(zhuǎn)角的結(jié)果接近,對(duì)損傷具有表征作用。

圖16 基于結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變測(cè)量的結(jié)構(gòu)多參數(shù)識(shí)別結(jié)果

2.2.5 基于區(qū)域分布傳感技術(shù)的區(qū)域-構(gòu)件-整體多尺度分析方法

根據(jù)上述內(nèi)容可知,對(duì)于一個(gè)完整的結(jié)構(gòu),可通過(guò)區(qū)域分布應(yīng)變傳感器進(jìn)行分布式布設(shè),獲得結(jié)構(gòu)由點(diǎn)至線到面的完整應(yīng)變分布。對(duì)于各個(gè)傳感單元對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)立單元,在已知單元內(nèi)各材料特性和幾何特性的條件下,對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行單元級(jí)別的解析,以獲得各單元的中性軸、曲率、應(yīng)力分布等信息。由于已獲得結(jié)構(gòu)完整的應(yīng)變分布,根據(jù)平均曲率計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)的平均彎矩。此時(shí)平均彎矩作為一個(gè)與結(jié)構(gòu)整體抗彎性能有關(guān)的參考值,可以評(píng)價(jià)各個(gè)單元內(nèi)材料特性和幾何條件的退化狀況。之后通過(guò)子結(jié)構(gòu)法等分析方法對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行整合,即可達(dá)到更精確地計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際狀態(tài)的目的,并將此用于整體結(jié)構(gòu)性能分析和評(píng)估。從區(qū)域到構(gòu)件再到整體的識(shí)別評(píng)估方法如圖17 所示。

圖17 從區(qū)域到構(gòu)件再到整體的識(shí)別評(píng)估方法

3 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1) 大型橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)以上內(nèi)容所述,可以把數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中的部分內(nèi)容,比如數(shù)據(jù)預(yù)處理,集成到結(jié)構(gòu)分析端進(jìn)行。下面以大跨度橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例,介紹區(qū)域傳感概念構(gòu)建大跨度橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本案例將數(shù)據(jù)預(yù)處理工作分成3 個(gè)部分,初始的區(qū)域分布應(yīng)變的采集及預(yù)處理是在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中進(jìn)行,另一部分則是在下文中介紹的結(jié)構(gòu)分析評(píng)估子系統(tǒng),以及結(jié)果發(fā)布子系統(tǒng)中進(jìn)行。通過(guò)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)采集與分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)拇罂缍葮蛄罕O(jiān)測(cè)系統(tǒng),為橋梁的長(zhǎng)期使用和必要的養(yǎng)護(hù)決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持,具體可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為:①通過(guò)區(qū)域分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得與損傷(特別是早期損傷)直接相關(guān)的參數(shù),并實(shí)時(shí)掌握橋梁關(guān)鍵區(qū)域的各類(lèi)動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)。②通過(guò)動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)變化過(guò)程及趨勢(shì),進(jìn)一步調(diào)查橋梁關(guān)鍵區(qū)域的既有損傷程度及衍變規(guī)律,并結(jié)合監(jiān)控周邊的環(huán)境振動(dòng)、溫度、降水等環(huán)境因素,分析損傷和病害主要產(chǎn)生的因素,對(duì)結(jié)構(gòu)性能可能造成的影響進(jìn)行預(yù)警。③根據(jù)需求,通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表及年度報(bào)表等數(shù)據(jù)報(bào)表,及時(shí)了解橋梁實(shí)時(shí)情況及各測(cè)點(diǎn)的特征值和預(yù)處理結(jié)果。通過(guò)大量的特征值和對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別,并建立實(shí)用的安全評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)指標(biāo)超過(guò)某一等級(jí)預(yù)警值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)的預(yù)報(bào)警,并采用多種方式將信息及時(shí)轉(zhuǎn)達(dá)給相關(guān)管理人員,提示后臺(tái)及時(shí)對(duì)橋梁當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估,通知相關(guān)人員采取安全控制措施,避免重大安全事故的產(chǎn)生。④積累橋梁關(guān)鍵區(qū)域的狀態(tài)數(shù)據(jù),為長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)、維修、加固提供必要的決策依據(jù);同時(shí)當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件后,為快速安全狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。大型復(fù)雜橋隧結(jié)構(gòu)的安全與健康全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖18 所示。

圖18 大型復(fù)雜橋隧結(jié)構(gòu)的安全與健康全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2) 中小橋梁輕量化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中小橋梁是指總長(zhǎng)小于100 m 且單孔跨度小于40 m 的橋梁。在全國(guó)公路橋梁總數(shù)中,中小橋梁約占87%,具有大量且廣泛分布的特點(diǎn)。作為我國(guó)交通網(wǎng)的重要組成部分,中小橋梁的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整條道路的通行能力和安全性。然而,在橋梁健康監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)體系方面,目前主要集中在大橋和特大橋梁上,如《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 333:2012)、《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(JT/T 1037—2016)等標(biāo)準(zhǔn)的制定。這表明大橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已相對(duì)成熟和規(guī)范化,然而針對(duì)中小橋梁的健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏整體性和規(guī)范性的指導(dǎo)原則,目前尚未建立科學(xué)統(tǒng)一的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外,在傳感器的優(yōu)化布置算法方面,中小橋梁的健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的傳感器布局仍處于探索階段。例如,如何在已發(fā)生損壞的橋梁上添加傳感器等問(wèn)題仍不明確。因此,對(duì)于中小橋梁的健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì),需要進(jìn)一步研究和制定具有整體性和規(guī)范性的指導(dǎo)原則。同時(shí),在傳感器的布置和優(yōu)化算法方面,還需要更多的研究和實(shí)踐,以提高中小橋梁健康監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和效果。

為此,作者及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)中小橋結(jié)構(gòu)(群)量大面廣的特點(diǎn),提出基于前文提到的“一專多能”的區(qū)域分布監(jiān)測(cè)技術(shù),并對(duì)橋體關(guān)鍵部位進(jìn)行輕量化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì),精準(zhǔn)獲得關(guān)鍵構(gòu)件的變形、曲率分布及扭轉(zhuǎn),從而保證計(jì)算精度,中小橋梁輕量化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖19 所示。

圖19 中小橋梁輕量化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3) 結(jié)構(gòu)分析評(píng)估子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容,在本案例中通過(guò)上述提及的結(jié)構(gòu)區(qū)域分布應(yīng)變與各種變形轉(zhuǎn)角、荷載、內(nèi)力及動(dòng)力參數(shù)的直接映射關(guān)系,從而建立以下子系統(tǒng):①結(jié)構(gòu)宏應(yīng)變處理;②結(jié)構(gòu)的撓度解析;③應(yīng)變響應(yīng)的頻譜解析;④應(yīng)變模態(tài)解析;⑤結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。各類(lèi)參數(shù)顯示界面如圖20 所示。

圖20 各類(lèi)參數(shù)顯示界面

結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別在軟件的“損傷識(shí)別”模塊里進(jìn)行,以基于相對(duì)宏應(yīng)變模態(tài)向量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別方法為例,結(jié)構(gòu)分布式布置的傳感器可以分為目標(biāo)傳感器和參考傳感器兩大類(lèi),在利用該方法進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí),參考傳感器應(yīng)選擇在發(fā)生損傷概率最小的地方(遠(yuǎn)離易發(fā)生損傷的區(qū)域),同時(shí),可以通過(guò)多次選擇不同參考傳感器進(jìn)行相互校核的方式以防止某個(gè)參考傳感器的覆蓋范圍內(nèi)發(fā)生損傷的不利情況。對(duì)于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)病變和災(zāi)變的監(jiān)測(cè)技術(shù)方案,將在本文下一節(jié)中結(jié)合示例進(jìn)行具體的介紹。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)案例

1) 公路橋梁損傷監(jiān)測(cè)案例

以日本一座既損橋梁的實(shí)橋監(jiān)測(cè)為案例[20],具體介紹點(diǎn)式應(yīng)變與區(qū)域分布傳感數(shù)據(jù)的區(qū)別,以及利用宏應(yīng)變模態(tài)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。該橋?yàn)槿毡局形鞑康囊蛔酚秒p車(chē)道4 跨預(yù)應(yīng)力箱梁橋,全長(zhǎng)300 m,于1972 年建成,日通車(chē)量在15 000 輛左右。為評(píng)價(jià)補(bǔ)強(qiáng)加固施工的效果并監(jiān)測(cè)橋體工況及其安全性,該橋負(fù)責(zé)部門(mén)邀請(qǐng)了多家資深結(jié)構(gòu)評(píng)估單位對(duì)橋體實(shí)施定期檢查和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),作者團(tuán)隊(duì)是受邀的主要評(píng)估方,所采用的監(jiān)測(cè)方案是在加固工程開(kāi)始前,分別在主橋第一跨及第四跨分布布設(shè)了區(qū)域分布長(zhǎng)標(biāo)距傳感器。區(qū)域分布長(zhǎng)標(biāo)距傳感器的標(biāo)距長(zhǎng)度為1 m,分別在橋體左側(cè)、右側(cè)(上游、下游)布設(shè)了12 根。橋體損傷及傳感器布點(diǎn)示意[1]如圖21 所示。

圖21 橋體損傷及傳感器布點(diǎn)示意(單位:mm)

在文獻(xiàn)[20]中,對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)變片和區(qū)域分布長(zhǎng)標(biāo)距傳感器在橋體第一跨左右兩側(cè)的應(yīng)變分布進(jìn)行了對(duì)比,橋體應(yīng)變分布對(duì)比如圖22 所示。

圖22 橋體應(yīng)變分布對(duì)比

結(jié)果顯示區(qū)域分布長(zhǎng)標(biāo)距傳感器的監(jiān)測(cè)體系能夠完整地顯示橋體的應(yīng)變情況,并對(duì)多個(gè)局部損傷位置進(jìn)行良好的指征。這意味著區(qū)域分布長(zhǎng)標(biāo)距傳感器能夠提供更全面的橋體應(yīng)變信息,并且在識(shí)別多處局部損傷方面具有良好的效果。相反,同一位置的應(yīng)變片結(jié)果存在較大離散度,受安裝條件限制,只能獲取橋體局部的應(yīng)變信息。

2) 地震監(jiān)測(cè)案例

下面通過(guò)一座日本鐵路橋的損傷識(shí)別來(lái)展示區(qū)域分布傳感器技術(shù)在結(jié)構(gòu)早期損傷識(shí)別中的效果。日本新干線在安全方面一直享有“最安全舒適的交通工具”的美譽(yù)。2011 年?yáng)|日本大地震后,在日本東北地區(qū)多次發(fā)生震級(jí)5 級(jí)以上的地震。為滿足安全運(yùn)營(yíng)、保障該地區(qū)的正常交通,實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件后快速完成損傷識(shí)別、結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估,以達(dá)到30 min 內(nèi)對(duì)全線交通運(yùn)營(yíng)能力進(jìn)行判斷的目的,在東日本鐵路公司的要求下,2012 年開(kāi)始對(duì)東北新干線所在重要交通橋梁實(shí)施光纖傳感器的監(jiān)測(cè)工程。本案例中監(jiān)測(cè)對(duì)象為一座鋼筋混凝土連續(xù)梁剛橋,該橋于1982 年正式運(yùn)營(yíng),并被使用超過(guò)30 年。為滿足異常突發(fā)事件后快速安全評(píng)價(jià)的要求,提出使用長(zhǎng)標(biāo)距FBG 傳感器,并分別將該橋的橋梁和橋墩,按軸向和切向劃分為4 個(gè)傳感區(qū)域。

在該橋的連續(xù)監(jiān)測(cè)中,采集列車(chē)通過(guò)時(shí)的應(yīng)變輸出。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,記錄到地震等異常事件發(fā)生時(shí)及其前后一段時(shí)間的應(yīng)變響應(yīng)。地震時(shí)有大應(yīng)變發(fā)生(300 微應(yīng)變以上),達(dá)到了混凝土微裂的程度,但地震前后的列車(chē)通行造成的應(yīng)變值并未有明顯變化。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性,對(duì)每天應(yīng)變峰值、列車(chē)通過(guò)時(shí)撓度變化及列車(chē)通過(guò)時(shí)激勵(lì)產(chǎn)生的頻率等結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)對(duì)比。結(jié)果顯示,雖然8 月發(fā)生過(guò)多次地震,甚至震級(jí)達(dá)到5 級(jí),但LSMV(高壓變頻器)的比值并未出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),即結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)可識(shí)別損傷。但11 月比值出現(xiàn)明顯變化,即意味著損傷的出現(xiàn)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察,確認(rèn)了在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上微裂縫的存在。由于該裂縫寬度較小,受橋體自重影響,平時(shí)處于閉合狀態(tài),因此唯有當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)才能在短時(shí)間觀察到。這次成功的微小損傷識(shí)別案例,再次說(shuō)明了區(qū)域分布應(yīng)變傳感技術(shù)具有重要意義?；诤陸?yīng)變模態(tài)對(duì)局部微小損傷識(shí)別結(jié)果[1]如圖23 所示。

圖23 基于宏應(yīng)變模態(tài)對(duì)局部微小損傷識(shí)別結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

為解決我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量問(wèn)題,提高工程結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性并有效降低維護(hù)成本,需要采用新的建造與維護(hù)模式。區(qū)域分布傳感技術(shù)結(jié)合了結(jié)構(gòu)整體與局部、動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信息的監(jiān)測(cè),具有廣闊的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了課題組近年來(lái)在區(qū)域分布傳感技術(shù)方面的研究工作,包括理論研究、實(shí)測(cè)以及應(yīng)用案例,其主要結(jié)論如下。

(1) 橋梁隧道等交通基礎(chǔ)設(shè)施安全長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵之一是做到損傷的早期精準(zhǔn)檢/監(jiān)測(cè)。

(2) 結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感理念順應(yīng)了工程結(jié)構(gòu)的特性、特征,有機(jī)地彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)局部傳感和整體傳感的不足,能夠有效地用于損傷的早期精準(zhǔn)識(shí)別及狀態(tài)全面評(píng)估。

(3) 基于結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感理念獲得的宏應(yīng)變分布數(shù)據(jù)直接反映和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)變與轉(zhuǎn)角等宏微觀信息并實(shí)現(xiàn)損傷覆蓋。利用建立的宏應(yīng)變分布與位移、轉(zhuǎn)角、荷載等直接映射關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變、轉(zhuǎn)角、變形、荷載、動(dòng)力特性等多種監(jiān)測(cè)功能,即達(dá)到“一專多能”的效果。

(4) 基于結(jié)構(gòu)區(qū)域分布傳感理念獲得的宏應(yīng)變模態(tài)適用于常見(jiàn)的加速度測(cè)量發(fā)展起來(lái)的模態(tài)測(cè)試技術(shù)。作者及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明,宏應(yīng)變模態(tài)不僅能減少測(cè)量噪聲和環(huán)境擾動(dòng)帶來(lái)的不利影響,而且宏應(yīng)變模態(tài)對(duì)局部損傷非常敏感,在損傷識(shí)別效果上優(yōu)于以往基于傳統(tǒng)加速度測(cè)量發(fā)展起來(lái)的損傷識(shí)別技術(shù),從而形成了橋梁的拉索斷絲、支座老化、沖刷、滑坡以及隧道的收斂變形、不均勻沉降、圍巖變形等典型病變和災(zāi)變的早期監(jiān)測(cè)技術(shù)。