綜合考試：大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
來源：育路教育網(wǎng)發(fā)布時間：2012-04-25 10:10:41
摘要：大型橋梁健康監(jiān)測力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。同時，對大跨度橋梁設(shè)計理論與力學模型的驗證以及對結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問題的調(diào)查與研究也正融入橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文首先簡要地總結(jié)十多年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)問題，以期為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。
關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測項目 橋梁
20世紀橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動了大距度橋梁的發(fā)展;同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗證結(jié)構(gòu)分析模型、計算假定和設(shè)計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)問題。
一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況
1.監(jiān)測系統(tǒng)
80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋(主跨530m)[2]、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋[3]、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的Confederatiot Bridge橋[5].我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8].
從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：
(1)通常測量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄;
(2)除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件(如風、車輛荷載等)的監(jiān)測和記錄分析;同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實時的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù);
(3)在通車運營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量;
(4)監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
這些特點使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍(如斜拉索振動控制裝置[4]等)。
2.理論研究
十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動信息的整體性評估技術(shù)在航天、機械等領(lǐng)域的深入研究和運用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究「1，7，9～11」。人們致力于基于振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結(jié)構(gòu)振動信息可以在橋梁運營過程中利用環(huán)境振動法獲得，因此這一方法具有實時監(jiān)測的潛力。
結(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為模式識別法、系統(tǒng)識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類「1」。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)變曲率以及其他靜力響應(yīng)的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10].然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進入實用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響;②測量信息不完備;③測量精度不足和測量信號噪聲;④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。
