浅谈桥梁健康监测

浅谈桥梁健康监测——曾燊平前言：20世纪以来，国内外桥梁工程建设取得了突破性的成就，桥梁建设正向着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展、鉴于桥梁工程在国家建设和人民生活中的重要作用，桥梁结构的安全性与耐久性越来越受到人们的高度重视，所以现代工程技术人员不但关注桥梁设计与施工技术，而且更关注桥梁结构的维护和保障问题。随着科学技术的飞速发展，在现代桥梁工程领域中有关桥梁的健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界的研究热点。桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段，以往人们往往主要只关注设计与施工阶段，由于投资巨大、重要性突出，大型桥梁的总体规划也日益受到重视。虽然合理、保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对于大型复杂结构的认识程度及许多不定时或不可预测因素，比如超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、爆炸、地震、洪水、飓风等自然灾害，人们难以进行预测与控制，为了确保大型复杂结构特别是大型桥梁的使用安全与耐久性，时时了解其健康状况是非常重要的。桥梁在建成后，缺乏科学监测与管理对桥梁状态的影响日益突出。2015年6月19日凌晨3时许，位于粤赣高速广东河源城南出口的匝道桥突然垮塌，鱼贯行驶在匝道引桥上的4辆大货车瞬间栽落十几米高桥底，造成1死4伤的悲剧。广州海印桥的部分斜拉索因锈蚀而突然断裂，济南黄河公路大桥的斜拉索也发生严重锈蚀而被迫提早更换，宜宾小南门金沙江拱桥吊杆断裂造成人车坠入江中。辽宁盘锦田台庄大桥挂梁突然落下，坠入辽河。1996年12月广东韶关特大桥坍塌，32人死亡，59人受伤。1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌，导致41人死亡，14人受伤的悲剧。造成这些事故的原因很复杂，抛开设计与施工方面的原因不谈，这些桥梁长期处于超负荷运营状态，致使许多构件的疲劳损失加剧，是导致倒塌的重要原因。如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的疲劳损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，那就会大大减少这些惨剧的发生。粤赣高速广东河源城南出口的匝道桥垮塌现场正文：桥梁健康监测的基本概念交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生，对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。结构健康监测的定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有不足之处。当研究人员试图对健康监测的无损评估进行综合，其重点在于数据收集而不在于评估。人们的确切需要是采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理，以评估关键的性能测量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，etal.（1997）所做的定义必须修改，结构健康监测可以定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，其目的是：如果有损伤，则进行损伤识别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”（图1）。总而言之，一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次：（Ⅰ）检测损伤的存在，（Ⅱ）确定损伤的位置，（Ⅲ）估计损伤程度，（Ⅳ）确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平（Ⅲ）的工作要求改进结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平（Ⅳ）的工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20年，随着仪器的改进和对复杂结构动力学的认识，在系统检测和土木结构评估方面，土木工程结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。桥梁结构以及其它大多数土木结构，尺寸大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，低振幅，而且桥梁结构的动力响应极容易受到非结构构件等的影响，这些变化往往被误解为结构的损伤；而且钢筋混凝土桥中模型的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多，这一切使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。对于近二十年建成的大型桥梁，大部分建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构，但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视，往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺陷或安全隐患的桥梁，全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通，一般来说是不足取的一种方式；由于资金有限，也不可能一次性全部进行加固改造，需要区分轻重缓急，需要对桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性，传统的人工检测方法由于其滞后性、效率低，造成桥梁管理成本的提高与资源配置的不合理，已跟不上桥梁发展需求，也不符合经济运作的规律。在这种情况下，建立桥梁健康监测与安全评定系统（目前的硬件技术水平与软件已经使之成为可能），能够大大提高检测效率，实时掌握桥梁状态变化，评价桥梁的承载能力和使用功能，以及桥梁的安全可靠性，其意义主要有：（1）及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性；（2）为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济；（3）验证桥梁设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高桥梁设计水平和安全可靠度，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。然而，在当前的桥梁养护工作中存在许多不足：(1)工作效率低。桥梁的检查主要是有技术人员到桥梁现场定期检查，查看一座桥梁需花费一个人半天或一天的时间，工作效率低，不适合现代大量桥梁养护护理的要求。(2)准确性差。目前现有桥梁评估体系主要有交通部公路科学研究开发的中国公路桥梁管理系统（ChinaBridgeManagementSystem）,该系统在我国的公路桥梁养护管理上得到了广泛的应用，但是其桥况数据基本上以人工采集为主，需通过检查人员到桥梁现场进行目视检查获得外部现状，通过各种外部特征来综合判断桥梁状况。由于技术人员用肉眼检查桥梁的现状，工作中存在随意性，在桥梁病害尺度的把握上存在着人为差别，而对于肉眼无法看出的危险情况则又无法准确的把握，使得通过该系统的评价结论的准确性较差。(3)养护费用高。桥梁养护的经费主要用于桥梁的加固、改造，由于缺乏预防性养护的投入，造成“出现大病后花大钱治”的现状。(4)安全性低。由于桥梁的数量巨大，而技术人员和设备的有限，导致无法对运营中的所有（或大部分）桥梁进行有效的桥况评估，时常遗漏一些危桥的重要信息而发生车毁人亡的事故。桥梁健康监测方法及研究现状1.桥梁结构无损检测方法所谓无损检测是指以不损及其将来使用可靠性的方式，对材料或构件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学变化性能的评定，并进而就材料或构件对特定应用的适用性进行评价。所有的结构在其使用期间都会遭受不同程度的累积损伤，利用无损检测的方法可以获取结构内部的健康信息，分析结构的振动特征，并于结构原始状态进行比较，以便了解结构因积累损伤而造成的改变，为了监测桥梁的安全特征，定期检查是必要的。已建桥梁的无损检测问题早在20世纪50年代就已经提出，但由于早期的检测手段比较落后，分析方法不够准确，使得桥梁的无损检测在应用上受到诸多限制，桥梁结构状态的无损检测主要有局部检测方法和整体检测方法两种。局部检测方法是通过对结构某个局部构件进行无损检测，判断是否有局部损伤发生及损伤程度如何，进而判断该损伤对结构整体工作性能的影响如何，整体检测方法是通过检测结构的整体特性来评价整个结构的实际状态。现在国内外检测桥梁结构大多是先用整体检测法确定一些可能损伤部位，然后再结合局部检测方法对这些部位的构件进行详细的具体的损伤检测，进而对桥梁的损伤情况进行定位。2．桥梁监测传感器研究现状随着交通事业的发展，现代桥梁检测技术也取得了很大进步，主要包括以下几个方面：（1）雷达与红外热象仪检测技术：使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面；（2）光纤传感器监测技术：光纤传感器具有大面积检测能力，在较长时期内能提供可靠、精确和长期的检测结果，安装了这种监测系统后，任何结构存在的问题都可以较早地被发现，以便采取必要的修复措施，从而保证结构使用的连续安全性，使结构的性能得到最佳管理，并减少使用费用。（3）无线电检测与评估系统：目前，一种全无（电）源的、便宜的感应器开发出来，满足了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度。（4）自感应检测技术：公路桥梁的自感应检测技术的应用是广泛的。目前，美国已经设计、制造了一种便宜的位移感应器，用于翼墙的监测，已经进行两年多了，十分有效；一种新型埋入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中，在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。目前桥梁的维修自动化需要的基本信息，被当作美国基础研究和开发的重点，这必须由感应和测量的高科技技术来提供。（5）智能混凝土：a.损伤自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤，其中最常用的是碳类、金属类和光纤。碳纤维智能混凝土可以对建筑物内部和周围环境变化的实时监控，也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等，还可应用于公路路面、机场跑道等处的化雪除冰，钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护，住宅及养殖场的电热结构等；b.自调节智能混凝土:自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（sma）和电流变体（er）等。（6）GPS全球定位系统：可以直接测量三维的空间运动；（7）其他新技术：对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。美国联邦公路局将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。另一项新技术是“智能桥梁支座”，通过它可以收集到许多必不可少的桥梁工作信息。智能支座能通过支座上的活载和恒载的分布发现并判断出桥梁结构体系的工作状况。局部智能传感器应该是一个方向，但是局部的监测指标往往难以反映结构的整体性态，如何将局部监测指标与结构整体性之间建立合理的关系是其中的关键问题，因此，必须发展分布式传感器的健康诊断策略。虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法，但有些技术仍需进一步完善才能达到普遍应用的阶段。特别是为随时了解桥梁结构的工作状态，确保其长期使用性能，必须使用永久的监测设备。因此，桥梁结构的长期监测与诊断技术目前变得越来越重要了。桥梁检测工作者们还需继续努力，研究与开发出更加实用方便的桥梁检测技术与监测设备。3．土木工程测试技术研究现状桥梁由完好至破坏是一个逐渐损伤演变过程，桥梁结构承载力的降低，直接源于结构损伤的存在。对桥梁结构损伤部位进行检测的方法有很多种，过去和现在最常用的方法是人工肉眼检查，但人工检测的效率很差，有很大的局限性，当结构的某些部位无法用肉眼进行检测时，结构的损伤情况也就无法检测到。继而发展的桥梁局部检测技术是各部分的局部状态为检测内容，它通过对结构局部部位进行集中检测，实现对结构缺陷部位的精确定位、检查，甚至定量分析，局部检测主要依