大跨橋梁健康檢測與評估

李鐵純大跨橋梁健康監(jiān)測與評估目錄1引言2大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述3潤揚長江大橋實例4結語1引言

自20世紀50年代以來，橋梁健康監(jiān)測的重要性就逐漸被認識，但受檢測、監(jiān)測手段比較落后的限制，在應用上一直未得到推廣和重視。近年來隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復雜化，這項技術成為國內外學術界、工程界的研究熱點。許多國家都在一些已建和在建的大跨橋梁上進行了有益的嘗試：丹麥曾對總長1726m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測，另外，他們在主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上也開始了相關的嘗試；泰國與韓國目前也已開始在重要橋梁上安裝永久性的實時結構整體與安全性報警設備；香港的青馬大橋、內地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰大橋等在施工階段也已開始傳感器的安裝，以備將來運營期間的實時監(jiān)測。這種技術的成功開發(fā)與應用將起到確保橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命的作用。同時通過早期橋梁病害的發(fā)現能大大節(jié)約橋梁的維修費用，可以避免最終頻繁大修關閉交通所引起的重大損失。近年來，國內發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構件疲勞加之監(jiān)測養(yǎng)護措施跟不上，從而嚴重影響構件的承重能力和結構的使用。因此，對橋梁結構健康監(jiān)測非常必要和迫切。2大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述：2.1組成部分大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般應包括以下內容：（1）傳感系統(tǒng)。由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機等部分組成。（2）信號采集與處理系統(tǒng)。實現多種信息源、不同物理信號的采集與預處理,并根據系統(tǒng)功能要求對數據進行分解、變換以獲取所需要的參數,以一定的形式存儲起來。（3）通信系統(tǒng)。將處理過的數據傳輸到監(jiān)控中心。（4）監(jiān)控中心。利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷,包括結構是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。傳感器監(jiān)測到的實時信號,經過采集與處理,由通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心進行分析和判斷,從而對結構的健康狀況作出評估。

2.2監(jiān)控內容一般大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾方面進行監(jiān)控

:①結構的固定模態(tài)及其相對應的結構阻尼;②橋梁在正常車輛荷載及風載作用下的結構響應和力學狀態(tài);③橋梁在突發(fā)事件(如強烈地震、意外大風或其它嚴重事故等)之后的損傷情況;④橋梁結構構件的真實疲勞狀況;⑤橋梁重要非結構構件(如支座)和附屬設施的工作狀態(tài);⑥大橋所處的環(huán)境條件,如風速、溫度、地面運動等。2.3監(jiān)控系統(tǒng)功能大型橋梁因其橋型、重要性、使用年限等因素的不同,其健康監(jiān)測系統(tǒng)的預期目標也有所不同。以潤揚長江大橋為例,該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括如下幾個方面的功能:①報告大橋在各種工作環(huán)境下的結構載荷變化;②設定日常信道報警系統(tǒng)用于橋梁的日常運營管理;③報告大橋各主要構件的實際工作狀況,為結構維護提供依據;④報告大橋主要構件有否任何損壞或者累積性的損傷并設立報警系統(tǒng);⑤對大橋主要構件有否潛在損壞及其主要構件的剩余使用壽命進行評估;⑥對大橋結構的健康狀況、結構安全可靠性進行評估。3潤揚長江大橋實例工程簡介：潤揚長江大橋即鎮(zhèn)江-揚州長江公路大橋。潤揚長江大橋于2000年10月20日開工建設，她跨江連島，北起揚州，南接鎮(zhèn)江，全長35.66公里，主線采用雙向6車道高速公路標準，設計時速100公里，工程總投資約53億元，工期5年，2005年10月1日前建成通車。潤揚大橋連接京滬、寧滬、寧杭三條高速公路，并使這三條高速公路和312國道、同三國道主干線、上海至成都國道主干線互連互通，成為長江三角地區(qū)又一重要的路網樞紐。該項目主要由南汊懸索橋和北汊斜拉橋組成，南汊橋主橋

是鋼箱梁懸索橋，索塔高209.9m，兩根主纜直徑為0.868m，跨徑布置為470m＋1490m＋470m；北汊橋是主雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為175.4m+406m+175.4m，倒Y型索塔高146.9m，鋼絞線斜拉索，鋼箱梁橋面寬。該橋主跨徑1385m比江陰長江大橋長105m。3.1主梁線形的測量：關于主梁線形(豎向、橫向、縱向的位移)的監(jiān)測,目前常用的方法是光電測距(EDM)和GPS方法.潤揚大橋所處的江面較寬,時常出現大風、大霧和雨雪等天氣,這些因素會嚴重影響測量，而采用GPS技術進行主梁線形的監(jiān)測可以避免以上問題。對于潤揚長江大橋南汊橋在主跨中間和四分點處的兩側共設6個測點,GPS接收機用特制的密封盒固定在箱梁外側底板邊緣處.斜拉橋亦采用GPS技術進行線形測量,在斜拉橋上分別設8個測點(主跨跨中和四分點處共6個測點,索塔各一個測點).3.2大橋鋼索索力的監(jiān)測大橋鋼索索力狀態(tài)(懸索橋主纜、吊索、斜拉索等)是衡量大橋是否處于正常運行狀態(tài)的一個重要標志.目前,可采用光纖傳感器、電阻應變儀、鋼絲振弦應變儀、磁致彈性測力儀、振動方法等進行纜索拉力的測量或監(jiān)測.

主纜采用磁致彈性測力儀的直接方法進行連續(xù)監(jiān)測,同時采用振動方法進行間接檢測,確保檢測可靠性.監(jiān)測點設在4個錨室內,分別在每個錨室的上端、下端、左側、右側、中間索股進行主纜內力監(jiān)測.3.3振動監(jiān)測橋梁結構的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構件和結構的疲勞損傷的累積結果,而橋梁結構疲勞損傷主要是由于動荷載作用下的交變應力作用的結果.對于懸吊支承結構的橋梁,其懸吊體系(懸索橋的主纜和吊索、斜拉橋的斜拉索)不僅影響主梁結構的動力特性和受力特性,而且其本身在交變應力與環(huán)境腐蝕的相互作用下是導致疲勞和銹蝕損傷擴展的重要原因之一。

振動特性的監(jiān)測可采用加速度傳感器來實現,但是由于索塔、鋼箱梁、主纜、吊索、斜拉索各自的固有振動特性不同,因此在選擇傳感器時要充分考慮傳感器的技術性能(頻率范圍、靈敏度、采樣特性等).3.4主梁應力監(jiān)測監(jiān)測主梁應力的目的在于通過對主梁結構的控制部位和重點部位內力的監(jiān)測,研究主梁結構的內力分布、局部結構及連結處在各種載荷下的響應,為結構損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結構狀態(tài)評估提供依據.同時,通過控制點上的應力和應變狀態(tài)的變異,檢查結構是否有損壞或潛在損壞的狀態(tài).

一般的應力應變監(jiān)測采用電阻應變傳感器,但電阻式應變儀的零漂、接觸電阻變化以及溫漂等給系統(tǒng)帶來一定的誤差.且電阻式應變傳感器的壽命較短,故從長期監(jiān)測和信號傳輸等方面考慮宜采用(或部分采用)適合長期監(jiān)測用的光纖傳感器.潤揚長江大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計中采用了光纖傳感器與電測方法相結合的應力應變監(jiān)測方法.3.5溫度監(jiān)測通過對橋梁溫度場分布狀況的監(jiān)測,可為橋梁設計中溫度影響的計算分析提供原始依據.對不同溫度狀態(tài)下橋梁的工作狀態(tài)變化,如橋梁變形、應力變化等進行比較和定量分析,對于橋梁設計理論的驗證和完善均有積極意義.溫度傳感器在橋梁上沿主梁橫斷面布置.在系統(tǒng)中采用數字式溫度傳感器,構成的單線多點溫度測量系統(tǒng)進行橋梁結構溫度分布狀況的監(jiān)測.各溫度傳感器以并聯方式與網絡節(jié)點連接,通過網絡總線實現與計算機進行通信、對溫度的自動遠程監(jiān)測.3.6潤揚大橋斜拉橋和懸索橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)測點布置圖4結語

4.1利用振動模態(tài)測試分析技術和系統(tǒng)識別理論,結合大型橋梁結構自身的特點,探索適用于大型土木工程結構的模型修正方法。

4.2尋求通用的損傷量化指標。在基于振動的故障診斷和預測中,要求不論信號的來源和頻段,經過信號處理后,即可根據識別出的信號來判斷結構是否處于損傷狀態(tài)。因此,應該設計一種損傷尺度,將結構損傷程度進行分級量化。4.3新型傳感器和激振器的研制。新型傳感器的使用,使得原本沒有生命的橋梁被賦予了自感知和自診斷的能力。其中包括光纖傳感器,壓電傳感器,形狀記憶合金傳感器以及微型激振器等。4.4傳感器的最優(yōu)布置技術。結構模型試驗和在線監(jiān)測都需要對傳感器的最優(yōu)布置技術進行研究。

可以相信,隨著大型結構健康監(jiān)測和安全評估的理論和技術水平的不斷完善與提高,大跨橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)必將為大跨橋梁的正常運營和維護提供可靠、先進的技術手段,從而確保大跨橋梁的安全性和耐久性。參考文獻[1]楊玉成.多層磚房的地震破壞和抗裂抗倒設計[M].北京:地震出版社,1981[2]沙安.建筑抗震設計規(guī)范(GB50011-2001)問答(4)[J].工程抗震,2002(4):43～45[3]常業(yè)軍.合肥市多層砌體結構房屋震害預測[J].建筑技術,2003(11):841～842[4]建筑抗震設計規(guī)范(GB50011-2001)[5].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001[5]WangHao,LiAi-qun,MiaoChang-qing.FEModelandModelUpdatingofRunyangSuspensionBridge,The2ndInterna2tionalConferenceonStructuralHealthMonitoringofIntelligentInfrastructure.Shenzhen,P.R.ofChina,2005.[6]GuoTong,LiAi-qun,MiaoChang-qing.Combinednu2mericalsimulationmethodand