桥梁健康监测策略分析与框架设计

刘兴凤 边文同

[摘要]本文就健康监测策略分析与框架设计进行了阐述,针对不同需求,梳理了三套桥梁健康监测系统的框架,并提出了桥梁健康监测系统设计的原则和系统设计步骤建议,可供桥梁健康监测系统设计人员参考。

[关键词]桥梁 健康监测 策略分析

1 引言

目前我国土木工程事故频繁发生,如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等,造成了重大的人员伤亡和财产损失,已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。另外,我国有一大部分桥梁和基础设施都是在五六十年代建造的,经过这么多年的使用,他们的安全性能如何?是否对人民的生命财产构成威胁?这些都是亟待回答的问题。近些年,地震、洪水、暴风等自然灾害也对这些建筑物和结构造成不同程度的损伤;还有一些人为的爆炸等破坏性行为,如美国世贸大楼倒塌对周围建筑物的影响。这些越来越引起人们的密切关注。如果能在灾难到来之前对其预测,进行评估,以趋利避害已成为人们关注的焦点。因此,对结构性能进行监测,及时地发现结构的损伤,对可能出现的灾害进行预测,评估其安全性已经成为未来工程的必然要求,也是土木工程学科发展的一个重要领域,本文就此内容进行简要探讨。

2 健康监测策略分析

虽然目前桥梁健康监测系统的研究遇到了一些困难和障碍,但是桥梁健康监测系统研究和应用的重大价值和意义无论怎么强调都不为过,它是生命线工程防灾减灾的有效手段。

然而,应清醒地认识到,桥梁健康监测系统不是万能的,尤其是限于目前的研究和应用水平。由于缺乏有效的损伤识别和状态评估的理论算法,使得桥梁健康监测系统不能进行有效的健康诊断。关于健康监测系统的健康诊断问题,本文提出以下两个观点:

(1)目前健康监测系统在桥梁结构健康诊断方面比较现实也是能够做到的是:在桥梁健康监测系统安装的初期,结构一般是处在健康状态的(现阶段未发现异常),通过长期一段时间的监测,可以得到不同时间序列内的桥梁在各种环境下的各力学参数的监测数据,这些数据代表了桥梁的健康状态。将这些大量的数据样本按某种映射关系投射到一个“超球体”内,则超球体的表面就是桥梁健康与否的分界面。

(2)在桥梁健康预警方面,可行的做法是:据桥梁特点和材料强度,设定位移监测和应力监的阐值,一旦监测到的数据超过阀值,则报警。

3 健康监测系统框架设计

本文根据现有的研究和应用,将健康监测系统分三个等级,即长期在线自动健康监测系统、定期离线健康监测系统和定期养护健康检测系统。长期在线自动健康监测系统是最高等级的健监测系统,该系统适合于在特大跨径复杂桥梁结构和具有重大战略意义的关键桥梁上使用。该等级桥梁健康监测系统具有如下的特点:传感器长期设在桥梁上,并通过相应技术连接在一起,构成感器子系统。各传感器的数据采集通过健康监测统中心控制系统动态实时的下达采集指令,触发感器的开关,实现数据采集。采集的数据经系统数据通信系统直接自动进入健康监测中央数据。桥梁管理部门和客户可以通过Iniemet网络远访问中央数据库并进行健康诊断。

定期离线健康监测系统是长期在线自动监测系统的一种简化,最大的区别是定期离线健康监测系统的数据采集和管理是离线的、人工的。与长期在线自动健康监测系统相比,该系统省掉了数据的自动采集设备和软件,无需大量的数据线并避免了数据的长距离传输带来的数据精度的损失。

定期养护健康检测系统适合于一般桥梁和对整个路线沿线的所有桥梁的健康监测,该系统的功能和性质接近于一般桥梁的养护管理,可以这样描述:桥梁管理部门购置相应的桥梁检测设备,包括传感器及其相应的数据采集和处理软件、桥梁健康诊断软件。这些设备都存放于实验室,不长期固定在桥梁上。桥梁管理部门定期的利用这些设备对所辖桥梁进行健康检测。该系统最大的优点是可以监测多个桥梁的健康状况,同时设备容易维护、更换和更新。

4 设计准则

桥梁健康监测系统的设计是实施桥梁健康监测的第一步。目前关于桥梁健康监测系统设计的标准、原则还没有统一的说法。本文结合国内外已经安装的桥梁健康监测系统的特点,探讨桥梁健康设计的一些原则。

从已经安装的桥梁健康监测系统中可以看出,这些桥梁健康监测的测点布置的数量、监测项目有很大差异。这种差异一方面来自于桥梁结构形式和所处地理环境的差异,另一方面来自于各健康监测设计的目的和投资额度的不同。本文认为,桥梁健康监测系统的设计要遵循“因桥而异、因桥制宜、经济实用、稳定可靠”的16字原则。

因桥而异、因桥制宜。不同地区、不同桥梁结构形式的健康监测的内容是不一样的。不同地区的气候、地质环境会有很大差别,桥梁健康监测的一部分内容就包括对桥址处环境的监测,比如风、地震、温度等。

经济实用、稳定可靠。桥梁健康监测系统的实施费用是昂贵的,因此,投资额是制约桥梁健康监测系统规模和设备的重要因素。健康监测系统的设计应作效益一成本分析,设计出经济实用、稳定可靠的健康监测系统。

基于以上分析,建议在桥梁健康监测系统设计时遵循以下步骤:

(l)针对具体桥梁,确定监测系统的目的和功能。

(2)分析桥梁的结构特点、环境状况、运营情况,确定桥梁健康监测系统的监测项目。

(3)建立桥梁有限元模型进行结构静动力分析,确定应力相对不利的位置及动力分析结果,结合工程经验、结构特点及测点优化理论综合确定测点布置方案。

(4)结合投资额度,广泛调研现代测试技术的发展,确定各监测项目传感器的选型。

5 结语

本章主要就健康监测策略分析与框架设计进行了阐述。针对不同需求,梳理了三套桥梁健康监测系统的框架,以供桥梁健康监测系统设计者和桥梁管理部门选用。总结并提出了桥梁健康监测系统设计的原则和系统设计步骤建议,可供桥梁健康监测系统设计人员参考。

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