【摘要】當(dāng)今公路建設(shè)中大型橋梁越來(lái)越常見(jiàn),那么在道路建設(shè)就必須嚴(yán)格要求把關(guān)橋梁的質(zhì)量,這就有了本文討論的話題,即大型橋梁的機(jī)構(gòu)
安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),本文從各個(gè)方面詳細(xì)的介紹了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】大型橋梁;健康檢測(cè);傳感器
近年來(lái)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)展上,而是反映出了橋梁設(shè)計(jì)者對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測(cè)的設(shè)想與努力,近20年來(lái)橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開(kāi)發(fā)推動(dòng)了大跨度橋梁的發(fā)展;同時(shí),隨著人們對(duì)大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的目漸關(guān)注,橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)運(yùn)而生?！坝捎跇蛄罕O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)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(wèn)題,因此橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問(wèn)題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵。結(jié)合近l0年來(lái)
橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展,探討監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題。
一、 橋梁健康監(jiān)測(cè)研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀
1.1、通過(guò)布設(shè)在橋梁上的傳感器能夠測(cè)量并記錄橋梁的行為。
1.2、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)和力學(xué)行為以外,還重視對(duì)橋址處環(huán)境的監(jiān)測(cè)(溫度、風(fēng)、交通荷載)。
1.3、各系統(tǒng)都毫無(wú)例外的進(jìn)行了橋梁動(dòng)力加速度、速度的監(jiān)測(cè)。由于模態(tài)分析技術(shù)的進(jìn)步,主要是環(huán)境激勵(lì)下橋梁模態(tài)識(shí)別技術(shù)的成功,使得橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本是基于隨機(jī)振動(dòng)理論構(gòu)建的,而且,受航天、機(jī)械領(lǐng)域基于動(dòng)力參數(shù)的損傷識(shí)別的成功,橋梁設(shè)計(jì)者們也熱衷于通過(guò)動(dòng)力參數(shù)的監(jiān)測(cè)來(lái)達(dá)到損傷監(jiān)測(cè)、識(shí)別的目的,并且在10多年來(lái),在研究上投入了極大的熱情。
1.4、由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是通訊技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,如光纖光柵傳感技術(shù)、GPS、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和Internet“的數(shù)據(jù)通信等,使得橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取橋梁相對(duì)準(zhǔn)確的信息,并且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大容量、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)人庫(kù),并且通過(guò)Internet可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)。這一點(diǎn),使得監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)地區(qū)的重要橋梁成為可能。
二、存在的問(wèn)題及對(duì)策
這些橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚有諸多問(wèn)題沒(méi)有得到解決,根本的障礙是橋梁健康診斷技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投入使用的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分僅限于數(shù)據(jù)采集、保存,而在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理、科學(xué)合理的橋梁評(píng)估指標(biāo)的建立、結(jié)構(gòu)健康診斷體系的建立、應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行評(píng)估等方面的研究和應(yīng)用明顯不足。這一問(wèn)題始終得不到根本解決的原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
2.1、橋梁結(jié)構(gòu)的性能的變化對(duì)結(jié)構(gòu)指紋的變化不敏感。例如混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下產(chǎn)生裂縫,但其工作性能不一定受到影響。
2.2、橋梁的狀態(tài)評(píng)估缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)。目前,對(duì)大型橋梁狀態(tài)評(píng)估的研究思路仍然沿用《橋梁養(yǎng)護(hù)管理規(guī)范》中的關(guān)于中小橋梁的定級(jí)評(píng)估方法,這是一種主要圍繞橋梁的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評(píng)價(jià)方法,對(duì)大型橋梁能否合適,值得探討。
2.3、缺乏有效的傳感器最優(yōu)布點(diǎn)算法。橋梁模態(tài)試驗(yàn)中這一點(diǎn)非常關(guān)鍵,如何利用最少(現(xiàn)有、有效的)的傳感器,在含噪聲的環(huán)境中獲取全面、精確的橋梁動(dòng)力參數(shù)信息是進(jìn)行橋梁損傷識(shí)別的基礎(chǔ)。
2.4、大型橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的本身的復(fù)雜性,增加了系統(tǒng)評(píng)估的難度。橋梁是由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng),系統(tǒng)中各個(gè)成分應(yīng)力狀態(tài)、易損性不一,剛度、動(dòng)力特性相差太大。
2.5、橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和周圍環(huán)境的不確定性因素很難考慮,這給橋梁健康診斷帶來(lái)困難。
三、
橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)注和完善
3.1、建立科學(xué)合理的橋梁健康診斷和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。目前的系統(tǒng)基本上都沒(méi)有做到這一點(diǎn)。
3.2、重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的深入研究,應(yīng)尋求適合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的損傷識(shí)別方法。
3.3、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究應(yīng)和橋梁例行的養(yǎng)護(hù)、管理、檢測(cè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。
3.4、在監(jiān)測(cè)手段上,要有所突破。這主要依賴傳感器技術(shù)的發(fā)展。用于橋梁健康監(jiān)測(cè)的傳感器不僅要求本身的測(cè)試精度要高,還要求傳感器的穩(wěn)定性、耐久性要高。還要有良好的兼容性,以滿足整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信的要求。
3.5、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)要形象、簡(jiǎn)單,便于橋梁管理者們使用,系統(tǒng)地界面要形象地反映橋梁的工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等。
四、概念設(shè)計(jì)理論框架
在進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)施之前,需要從一個(gè)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全不同的力學(xué)分析角度,對(duì)橋梁在未來(lái)的漫長(zhǎng)服役期內(nèi)的行為演變、特性演變、損傷發(fā)生及演變作出預(yù)測(cè),通過(guò)預(yù)測(cè)可獲知以下信息:
4.1、結(jié)構(gòu)中最易于被傳感器測(cè)量的部位和物理量類型和其大致數(shù)值變化范圍,這有助于對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和部位的選擇,以及傳感器的選擇。
4.2、結(jié)構(gòu)中哪些物理量或者依據(jù)其進(jìn)行的二次加工量可以被用作結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的當(dāng)前值和其發(fā)展規(guī)律的掌握,可以高效地反映結(jié)構(gòu)性能演變、局部損傷發(fā)生及演變的信息。通過(guò)這些信息,可以建立起用于結(jié)構(gòu)評(píng)估的預(yù)警的指標(biāo)體系。
4.3、結(jié)構(gòu)中這些經(jīng)過(guò)選擇的指標(biāo)在整個(gè)生命周期內(nèi),在各種環(huán)境和荷載下的取值范圍和長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)這些信息,可以對(duì)建立起評(píng)估指標(biāo)體系相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)閥值體系,可以通過(guò)將指標(biāo)體系的當(dāng)前值與其閥值相比較而作出對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估和安全預(yù)警;同時(shí),通過(guò)將計(jì)算得到的指標(biāo)趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)得到指標(biāo)趨勢(shì)相比較,可以得出對(duì)結(jié)構(gòu)性能長(zhǎng)期演變的基本判斷。
結(jié)束語(yǔ)
如同醫(yī)生在開(kāi)始就醫(yī)前必須經(jīng)過(guò)大量的對(duì)人體生理病理的學(xué)習(xí)和理解一樣,在著手設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前,有必要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的行為、特性和“病理”進(jìn)行一番深入的理解診斷。才能創(chuàng)新出橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究成果。
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作者簡(jiǎn)介:于江波,男(1962.11-),漢族,山東
