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橋梁健康檢測與安全監(jiān)控

更新時間：2021-04-10 17:51

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　　摘要：通過建立一個先進(jìn)實(shí)用的橋梁健康與安全狀況監(jiān)測系統(tǒng)，可以隨時掌握橋梁運(yùn)營狀況，實(shí)現(xiàn)大橋服務(wù)水準(zhǔn)的安全報(bào)警，合理配置大橋養(yǎng)護(hù)維修資源，為降低橋梁運(yùn)營維護(hù)成本提供科學(xué)的依據(jù)，保證大橋檢查維修策略的制訂具有針對性、及時性和高效性。
　　關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測；橋梁承載力；養(yǎng)護(hù)維護(hù)；累計(jì)損傷；損傷評估　　摘要：通過建立一個先進(jìn)實(shí)用的橋梁健康與安全狀況監(jiān)測系統(tǒng)，可以隨時掌握橋梁運(yùn)營狀況，實(shí)現(xiàn)大橋服務(wù)水準(zhǔn)的安全報(bào)警，合理配置大橋養(yǎng)護(hù)維修資源，為降低橋梁運(yùn)營維護(hù)成本提供科學(xué)的依據(jù)，保證大橋檢查維修策略的制訂具有針對性、及時性和高效性。
中國論文網(wǎng) http://www.xzbu.com/2/view-3859763.htm
　　關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測；橋梁承載力；養(yǎng)護(hù)維護(hù)；累計(jì)損傷；損傷評估；橋梁安全監(jiān)測
　　中圖分類號：U446
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009-8631（2012）05-0028-01
　　1 引言
　　橋梁是投資巨大使用周期長的大型基礎(chǔ)設(shè)施，因此其使用的安全性對橋梁本身及國民經(jīng)濟(jì)有著舉足輕重的作用。在其運(yùn)營過程中，由于荷載作用、疲勞效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生老化現(xiàn)象，損傷積累，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故，為此對橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行健康監(jiān)測，可以隨時掌握橋梁的健康狀態(tài)，使大橋的養(yǎng)護(hù)維修工作更具有理論指導(dǎo)性。監(jiān)測資料可以提高人們對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為以后的設(shè)計(jì)和建造提供更為可靠的依據(jù)。
　　2 橋梁健康與安全監(jiān)測的內(nèi)容
　　2.1健康項(xiàng)目需求分析
　　大橋健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮多種因素，全面了解橋梁的狀況才能建立一套在橋梁運(yùn)營期間內(nèi)真正適應(yīng)的系統(tǒng)。健康系統(tǒng)首先必需考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，吸取設(shè)計(jì)單位有關(guān)意見，針對不同的橋型選擇不同側(cè)重點(diǎn)的監(jiān)控項(xiàng)目及研究方法：還需要從運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修的角度出發(fā)，考慮提供詳細(xì)必要的數(shù)據(jù)給養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)措施采用決策提供科學(xué)的依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的目的，真正的做到預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)。
　　2.2橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容
　　橋梁的健康監(jiān)測貫穿于橋梁運(yùn)營壽命的全過程，橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容同時也與橋梁形式、橋梁的自身特點(diǎn)有關(guān)。也就是橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容對于橋梁可靠度評估有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
　　1）撓度變形的監(jiān)測：
　　2）應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測；
　　3）動應(yīng)變監(jiān)測：
　　4）溫度監(jiān)測：
　　5）動態(tài)稱重監(jiān)測：
　　6）外觀監(jiān)測。
　　3 橋梁健康與安全監(jiān)測理論
　　3.1橋梁健康監(jiān)測的概念
　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候或橋梁運(yùn)營狀態(tài)嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進(jìn)行監(jiān)控：①橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性；④大橋所處環(huán)境條件等等。
　　3.2健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
　　健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場自動測試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)及分析中心系統(tǒng)三大部分組成，各個系統(tǒng)主要的功能如下：
　　1）現(xiàn)場自動測量系統(tǒng)：
　　2）遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)：
　　3）分析中心系統(tǒng)。
　　具體來講，監(jiān)測系統(tǒng)一般有應(yīng)變計(jì)、傳輸線、應(yīng)變測試儀、數(shù)據(jù)采集器與處理系統(tǒng)組成?？梢圆捎檬┕ゎA(yù)埋測試應(yīng)變元件和表面粘結(jié)應(yīng)變測試元件作為監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測傳感器，數(shù)據(jù)采集采用網(wǎng)絡(luò)接口和計(jì)算機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和遠(yuǎn)程控制。
　　3.3數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)利用外場數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對被測物理量結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理（如測量結(jié)果的修正換算、主應(yīng)變計(jì)算等），并按照規(guī)定的格式整理形成數(shù)據(jù)文件，通過光纖調(diào)制解調(diào)器將經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控通信收集中心。數(shù)據(jù)處理功能在結(jié)構(gòu)健康和安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)完成，而結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由以下部分組成：
　　1）數(shù)據(jù)存儲管理與查詢應(yīng)用系統(tǒng)；
　　2）結(jié)構(gòu)實(shí)時變形動態(tài)顯示系統(tǒng)；
　　3）服務(wù)水準(zhǔn)安全警報(bào)系統(tǒng)。
　　3.4結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)
　　結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)主要是根據(jù)對橋梁進(jìn)行綜合的監(jiān)測結(jié)果，分析獲取橋梁結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的精確關(guān)系或模糊關(guān)系，建立橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評定與損傷識別的知識庫和機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對所監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)與安全的評估，為橋梁的養(yǎng)護(hù)檢查或者維修加固決策實(shí)施的制訂提供科學(xué)的依據(jù)。該系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個模塊：
　　1）結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)評估模塊
　　2）基于結(jié)構(gòu)變形的損傷識別模塊
　　3）基于結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力的損傷識別模塊
　　4）基于結(jié)構(gòu)振動特性參數(shù)的損傷識別模塊
　　5）橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評估模塊
　　6）橋梁承載能力鑒定模塊
　　4 損傷評估法
　　4.1局部損傷評估法
　　通過橋梁線性、沉降、整體動力特性等參數(shù)的觀測，與初始狀態(tài)進(jìn)行對比、并分析其發(fā)展趨勢，可以從整體上評價橋梁的健康狀態(tài)，但難以了解部局的情況。因此在橋梁的關(guān)鍵部位以及監(jiān)測人員難以達(dá)到的地方布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，并通過局部損傷的評估方法進(jìn)行研究。
　　4.2積累損傷與剩余疲勞壽命評估方法
　　通過對橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行長期應(yīng)力/應(yīng)變的監(jiān)測，在長期監(jiān)測的基礎(chǔ)之上可以得到詳細(xì)的疲勞數(shù)據(jù)，從而可以進(jìn)行有效的累計(jì)損傷和剩余壽命的評估。
　　5 總結(jié)
　 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是運(yùn)用了現(xiàn)代化傳感技術(shù)與通訊技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測橋梁在運(yùn)營階段各種環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和行為特征，獲取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因數(shù)的各種信息，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并且評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。與此同時，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗(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)控制技術(shù)及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。
　　中圖分類號：U446
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009-8631（2012）05-0028-01
　　1 引言
　　橋梁是投資巨大使用周期長的大型基礎(chǔ)設(shè)施，因此其使用的安全性對橋梁本身及國民經(jīng)濟(jì)有著舉足輕重的作用。在其運(yùn)營過程中，由于荷載作用、疲勞效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生老化現(xiàn)象，損傷積累，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故，為此對橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行健康監(jiān)測，可以隨時掌握橋梁的健康狀態(tài)，使大橋的養(yǎng)護(hù)維修工作更具有理論指導(dǎo)性。監(jiān)測資料可以提高人們對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，為以后的設(shè)計(jì)和建造提供更為可靠的依據(jù)。
　　2 橋梁健康與安全監(jiān)測的內(nèi)容
　　2.1健康項(xiàng)目需求分析
　　大橋健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮多種因素，全面了解橋梁的狀況才能建立一套在橋梁運(yùn)營期間內(nèi)真正適應(yīng)的系統(tǒng)。健康系統(tǒng)首先必需考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，吸取設(shè)計(jì)單位有關(guān)意見，針對不同的橋型選擇不同側(cè)重點(diǎn)的監(jiān)控項(xiàng)目及研究方法：還需要從運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修的角度出發(fā)，考慮提供詳細(xì)必要的數(shù)據(jù)給養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)措施采用決策提供科學(xué)的依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的目的，真正的做到預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)。
　　2.2橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容
　　橋梁的健康監(jiān)測貫穿于橋梁運(yùn)營壽命的全過程，橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容同時也與橋梁形式、橋梁的自身特點(diǎn)有關(guān)。也就是橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容對于橋梁可靠度評估有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
　　1）撓度變形的監(jiān)測：
　　2）應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測；
　　3）動應(yīng)變監(jiān)測：
　　4）溫度監(jiān)測：
　　5）動態(tài)稱重監(jiān)測：
　　6）外觀監(jiān)測。
　　3 橋梁健康與安全監(jiān)測理論
　　3.1橋梁健康監(jiān)測的概念
　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候或橋梁運(yùn)營狀態(tài)嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進(jìn)行監(jiān)控：①橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性；④大橋所處環(huán)境條件等等。
　　3.2健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
　　健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場自動測試系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)及分析中心系統(tǒng)三大部分組成，各個系統(tǒng)主要的功能如下：
　　1）現(xiàn)場自動測量系統(tǒng)：
　　2）遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)：
　　3）分析中心系統(tǒng)。
　　具體來講，監(jiān)測系統(tǒng)一般有應(yīng)變計(jì)、傳輸線、應(yīng)變測試儀、數(shù)據(jù)采集器與處理系統(tǒng)組成。可以采用施工預(yù)埋測試應(yīng)變元件和表面粘結(jié)應(yīng)變測試元件作為監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測傳感器，數(shù)據(jù)采集采用網(wǎng)絡(luò)接口和計(jì)算機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和遠(yuǎn)程控制。
　　3.3數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)利用外場數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對被測物理量結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理（如測量結(jié)果的修正換算、主應(yīng)變計(jì)算等），并按照規(guī)定的格式整理形成數(shù)據(jù)文件，通過光纖調(diào)制解調(diào)器將經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控通信收集中心。數(shù)據(jù)處理功能在結(jié)構(gòu)健康和安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)完成，而結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由以下部分組成：
　　1）數(shù)據(jù)存儲管理與查詢應(yīng)用系統(tǒng)；
　　2）結(jié)構(gòu)實(shí)時變形動態(tài)顯示系統(tǒng)；
　　3）服務(wù)水準(zhǔn)安全警報(bào)系統(tǒng)。
　　3.4結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)
　　結(jié)構(gòu)健康與安全評估系統(tǒng)主要是根據(jù)對橋梁進(jìn)行綜合的監(jiān)測結(jié)果，分析獲取橋梁結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的精確關(guān)系或模糊關(guān)系，建立橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評定與損傷識別的知識庫和機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對所監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)與安全的評估，為橋梁的養(yǎng)護(hù)檢查或者維修加固決策實(shí)施的制訂提供科學(xué)的依據(jù)。該系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個模塊：
　　1）結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)評估模塊
　　2）基于結(jié)構(gòu)變形的損傷識別模塊
　　3）基于結(jié)構(gòu)內(nèi)力或應(yīng)力的損傷識別模塊
　　4）基于結(jié)構(gòu)振動特性參數(shù)的損傷識別模塊
　　5）橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評估模塊
　　6）橋梁承載能力鑒定模塊
　　4 損傷評估法
　　4.1局部損傷評估法
　　通過橋梁線性、沉降、整體動力特性等參數(shù)的觀測，與初始狀態(tài)進(jìn)行對比、并分析其發(fā)展趨勢，可以從整體上評價橋梁的健康狀態(tài)，但難以了解部局的情況。因此在橋梁的關(guān)鍵部位以及監(jiān)測人員難以達(dá)到的地方布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，并通過局部損傷的評估方法進(jìn)行研究。
　　4.2積累損傷與剩余疲勞壽命評估方法
　　通過對橋梁關(guān)鍵部位進(jìn)行長期應(yīng)力/應(yīng)變的監(jiān)測，在長期監(jiān)測的基礎(chǔ)之上可以得到詳細(xì)的疲勞數(shù)據(jù)，從而可以進(jìn)行有效的累計(jì)損傷和剩余壽命的評估。
　　5 總結(jié)
　　橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是運(yùn)用了現(xiàn)代化傳感技術(shù)與通訊技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測橋梁在運(yùn)營階段各種環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和行為特征，獲取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因數(shù)的各種信息，由此分析橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并且評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。與此同時，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗(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)控制技術(shù)及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。

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