大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)_工程管理

1、大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 大型橋梁健康監(jiān)測(cè)力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。同時(shí)，對(duì)大跨度橋梁設(shè)計(jì)理論與力學(xué)模型的驗(yàn)證以及對(duì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問(wèn)題的調(diào)查與討論也正融入橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵。本文首先簡(jiǎn)要地總結(jié)十多年來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)的討論狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新概念，并從橋梁工程進(jìn)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題，以期為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)供應(yīng)借鑒。 結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估方法可以歸結(jié)為模式識(shí)別法、系統(tǒng)識(shí)別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及

2、其他靜力響應(yīng)的評(píng)估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷力量。然而，盡管某些整體性評(píng)估技術(shù)已在一些簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)上有勝利的例子，但還不能牢靠地應(yīng)用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入有用的緣由主要包括：結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；測(cè)量信息不完備；測(cè)量精度不足和測(cè)量信號(hào)噪聲；橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測(cè)量信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。 另外，從評(píng)估方法上，目前對(duì)大跨度橋梁的平安評(píng)估基本上仍舊沿襲常規(guī)中小橋梁的定級(jí)評(píng)估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的平安評(píng)價(jià)。 二、橋梁健康監(jiān)測(cè)新概念 橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特別氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)

3、狀況嚴(yán)峻特別時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策供應(yīng)依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控： ·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài)； ·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)掌握元件）的工作狀態(tài)； ·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性； ·大橋所處環(huán)境條件；等等。 與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測(cè)不僅要求在測(cè)試上具有快速大容量的信息采集與通訊力量，而且力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。 <BR <BR 然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)

4、和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全把握和猜測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是特別困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依靠于理論分析并過(guò)風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)猜測(cè)橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力平安性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诒ж?fù)化的有限元離散模型，并且分析時(shí)常以許多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來(lái)驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國(guó)外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測(cè)信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 橋梁健康監(jiān)測(cè)信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相

5、應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)；并且，對(duì)橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對(duì)環(huán)境荷載的合理建模是將來(lái)實(shí)現(xiàn)橋?quot;虛擬設(shè)計(jì)"的基礎(chǔ)。 還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)的將不僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)當(dāng)成為橋梁討論的"現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室"。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的討論成果以及新材料新工藝的消失不斷推動(dòng)著橋梁的進(jìn)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在許多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有很多問(wèn)題需要討論。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)掌握與健康評(píng)估技術(shù)的深化討論與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的討論供應(yīng)了新的契機(jī)。

6、由運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論討論和試驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以供應(yīng)有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)掌握與健康評(píng)估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與調(diào)查。 綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而是被給予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和討論與進(jìn)展三方面的意義。 三、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 兩座大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置狀況可以看出，兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與規(guī)模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主 要是由于對(duì)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資額和（或）建立各個(gè)系統(tǒng)的目的（或者說(shuō)是對(duì)系統(tǒng)的功能要求）不同。因此，橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)

7、計(jì)實(shí)際上有意或無(wú)意地遵循著某些準(zhǔn)則。 明顯，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測(cè)三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測(cè)的目的和功能所在。對(duì)于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評(píng)估，或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，甚至以討論進(jìn)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模以及所采納的傳感儀器和通信設(shè)備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)必需對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提。 依據(jù)功能要求和成本一效益分析可以將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需

8、的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此，功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。 2監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估動(dòng)身的，個(gè)別也兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證甚至部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以橋梁?jiǎn)栴}的討論為目的。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多座運(yùn)營(yíng)中的斜拉橋進(jìn)行大量病害調(diào)查與檢測(cè)分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估的頗具代表性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。 假如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別所必要的信息。因此，對(duì)于大跨度余支承橋梁，必要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為具體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為并驗(yàn)證結(jié)

9、構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應(yīng)猜測(cè)。另外，在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設(shè)傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。 目前，某些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與平安性評(píng)估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁?jiǎn)栴}討論的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是專為討論服務(wù)的。與理論討論相關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以依據(jù)待討論問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)確定。從目前橋梁工程的進(jìn)展?fàn)顩r看，以下幾方面的問(wèn)題可以借助橋梁健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行深化討論或論證。 ·抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場(chǎng)特性觀測(cè)、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場(chǎng)中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。 ·抗震方面：包括討論各種場(chǎng)地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過(guò)

10、對(duì)墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測(cè)建立恢復(fù)力模型對(duì)橋梁的抗震分析具有重要的意義。 ·結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括討論結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對(duì)于進(jìn)展基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法特別重要。 ·結(jié)構(gòu)局部問(wèn)題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲憊及其他疲憊問(wèn)題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機(jī)制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機(jī)制等也值得進(jìn)一步觀看討論。 ·耐久性問(wèn)題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問(wèn)題尚有很多問(wèn)題必要深化討論。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問(wèn)題尤須重視。 

11、3;基礎(chǔ)：大直徑樁的采納也帶來(lái)一些設(shè)計(jì)問(wèn)題，直接套用原先用于中等直徑樁的計(jì)算方法不很合理。借助大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、討論樁的承載力問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)部門的需要。 四、小結(jié) （1）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)潔改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獵取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的牢靠性，為橋梁的管理與維護(hù)決策供應(yīng)科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)掌握技術(shù)以及深化討論大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問(wèn)題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程的進(jìn)展開拓了新的空間。 （2）大型橋梁健康監(jiān)測(cè)三方面的意義反映了從事橋梁維護(hù) 管理、設(shè)計(jì)詢問(wèn)和理論討論不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問(wèn)題。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)以功能要求和效益成本分析為基本準(zhǔn)則。此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)通過(guò)布點(diǎn)優(yōu)化分析，并且考慮到系統(tǒng)實(shí)施中的特別重要的通信問(wèn)題。 （3）對(duì)于大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評(píng)估只是結(jié)構(gòu)平安狀態(tài)評(píng)估的一部分，不行能僅通過(guò)整體性評(píng)估來(lái)解釋橋梁結(jié)構(gòu)的平安狀態(tài)。同時(shí)，大跨度橋梁的力學(xué)特點(diǎn)打算其平安評(píng)估的