桥梁运营安全监测系统实施现状与应用研究进展

王伟宁

(华铁工程咨询有限责任公司,北京 100055)

1 概述

近几十年来,由于设计、施工、养护技术手段不足等原因,导致世界范围内桥梁灾难性事故的频发。其中世界上最具代表性的有：美国的Tokoma悬索桥、英国的Yuys-ygwas拱桥、韩国汉城中央大桥等,这些灾难性事故造成了巨大的财产损失和人员伤亡,社会影响极大。因此,如何对已投入运营的为国计民生服务的桥梁安全使用状态进行有效监控,确保人民生命和国家财产安全,是当今桥梁界应用和研究的一个热点方向。

伴随着美国“数字化地球、数字化国家以及数字化城市”理念的诞生,欧、美、日等技术经济发达国家在核心的国家基础设施(如大坝、核电站、桥梁、石油管道、高层建筑等大型构造物)上,利用飞速发展的信息化技术建立了高效的监管平台,服务于社会。就国内现状而言,相对大坝等领域,国内大型桥梁信息化、数字化监管技术,作为21世纪新兴的桥梁技术研究延伸探索领域,只是处于一种萌芽状态,经验尚不足。而国内原有桥梁常规的监管方式和手段已被这些年来的实践证明是落后的,不能较好地满足现代化大型桥梁管养的实际需求。诸如四川小南门桥、重庆綦江彩虹桥、辽宁盘锦大桥、江苏武进桥的坍塌,海印大桥、济南黄河桥、珠海淇澳大桥的拉索锈蚀突发断裂等一系列桥梁灾害,正是因为“只建不养或养护管理不到位、不得法”现状的真实印证,造成很大的资源浪费和不良的社会效应。因此,在科学技术日新月异的今天,利用日益发展的桥梁计算分析技术、信息技术以及损伤分析识别等综合技术,为桥梁结构建立运营安全监测系统,科学管养、掌控桥梁的安全使用状态,避免灾难性事故的发生,显得愈加迫切与必要。

2 现行制度规范的要求和发展

鉴于桥梁结构健康监测与安全评价系统已在世界上得到广泛应用,国际桥梁协会于2003年7月在瑞士决定制订有关桥梁结构健康监测的国际规程,以指导和推动该项技术在各国的应用。很多研究者正致力于研究并制定桥梁健康监测系统的设计指南和规范,如：Lauzon[1]等提出了一个桥梁监测系统设计建议；美国Dexrel大学的Aktan教授[2～3]等制定了比较详细的健康监测系统的设计指南；加拿大ISIS组织的主席Mufti教授[4]也主持起草了一份结构健康监测指南。最近,英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。受国际结构健康监测工作委员会委托,香港理工大学以高赞明教授为首的课题组也正致力于研究制定专门用于大跨索桥监测系统的设计指南,哈尔滨工业大学以欧进萍院士为代表的团队也正在努力进行这方面的工作。

桥梁的安全监测规范目前正处于交通部研究制定的过程中,在2007年交通部发布的《公路桥梁养护管理工作制度》(交公路发[2007]336号)中已经明确提出了需要对特大桥梁进行运营期的安全监测的要求。如“第四章 桥梁检查与评定第二十四条”明确:“特大桥、特殊结构桥梁和单孔跨径60 m及以上大桥的检测评定工作应符合以下规定：…(三)对特别重要的特大桥,应建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统。”；“第六章 技术档案管理第三十二条”规定:“桥梁管养单位和监管单位应建立健全公路桥梁技术档案管理制度,大力推广应用公路桥梁管理系统,及时更新桥梁技术数据,保证公路桥梁技术档案真实完整,实现电子化管理。特别重要的特大型桥梁应建立符合自身特点的电子档案管理系统和养护管理系统。”

在2009年浙江省交通厅发布的《浙江省公路桥梁养护与管理办法》(浙交[2009]96号)文件的“第九章 技术与档案管理”中提出：“第五十五条 公路桥梁监管单位和管养单位应建立健全公路桥梁技术档案管理制度,应用公路桥梁管理系统,及时更新桥梁技术数据,保证公路桥梁技术档案真实完整,逐步实现电子化管理。”；“第五十六条 特别重要的特大型公路桥梁应建立符合自身特点的养护管理系统和安全预警系统,逐步提高利用信息化手段对桥梁进行监管的能力。”

《国家地震监测管理条例》等相关部门对大跨径桥梁运营期的安全监测系统都提出了明确的要求。2009年,贵州建设单位为坝陵河大桥运营安全监测系统制定了专项工程质量检验评定标准,成为国内首个大桥运营安全监测系统专项评定标准。

3 监测意义、依据及内容

桥梁运营安全监测的意义主要体现在3个方面：一是验证设计理论并指导后续同类桥梁的设计。如香港理工大学建立了风监测系统以监测台风及其对青马大桥的影响,通过对监测数据的分析,认为可以适当放宽抗风要求,该结论直接指导了昂船洲大桥的设计,使昂船洲大桥的关于风荷载的考虑更加明确、真实；中铁大桥局武汉桥科院在位于西部山区峡谷的贵州坝陵河大桥(中国最大跨度钢桁悬索桥)上同样布设了风监测系统,其监测数据将直接指导山区大跨度桥梁的抗风设计；二是对运营过程中结构的状态(含地震等特殊事件)实施监测与安全预警评估,如武汉桥科院在阳逻长江大桥、贵州坝陵河大桥上对地震后的状况进行快速评估；三是指导实施科学的管养维护服务,如青马桥在支座失效后,利用监测系统分析PTFE支座失效原因,评估更换PTFE支座时,对桥身钢结构和铁路伸缩缝的影响。

桥梁结构的健康监测和安全评估应与桥梁结构的设计承载能力和极限状态相关。我国《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)明确了公路桥涵应进行承载能力极限状态(Ultimate Limite State或ULS)和正常使用极限状态设计(Service Limite State或SLS),故应将两种极限状态作为桥梁健康监测与评估工作的法理依据。

正常使用极限状态下,结构构件在SLS荷载作用或卸载后,不会产生任何结构损伤,我们称之为健康构件。但当荷载超过SLS指标时,结构构件有可能产生损伤。因此,结构健康监测可定义为用传感器或相关设备去监测主要构件在SLS荷载作用下的位移和应力等分布状态；而结构安全评估则定义为应用测量数据和分析工具去评估结构构件在其服役期内,达到或超越SLS荷载指标时,是否会产生结构损伤。相应地,传感器和其相关设备的设计监测范围应在SLS的变化幅度之内,而ULS荷载指标则用于结构安全评估时作为构件的损伤或失效状况的参考指标[5]。

监测系统的运营应反映大桥的实时整体结构健康状况,由于结构健康监测只限于监测大桥各主要构件在SLS荷载下的位移和应力分布状况,则结构健康监测和安全评估的运营策略可以分为3种运营或预警状况。在此以构件应力为控制指标加以说明,则3种状况如表1所示,其中σm为监测应力结果,σSLS为正常使用极限状态应力指标。

表1 运营策略

大跨度桥梁所需要的监测的物理变量一般可以分为4个类别,即：环境荷载、运营荷载、桥梁特征以及桥梁响应。环境荷载是指强风、温度、地震、腐蚀以及冲刷等；运营荷载是指公路、铁路以及船舶撞击等日常的交通运营荷载；桥梁特征是指桥梁的静态特征(如静力影响系数及影响线等)和动态特征(如模态频率、振动模态、模态阻尼比以及模态质量参与系数等)；桥梁响应是指几何变形、应力状况、位移状况、索力、疲劳状况、连接件受力以及振动响应等。在测试中传感器的选取是非常重要的一个环节,选择的传感器需满足：(1)量程足够、精度高、耐久性好；(2)动态测试传感器的有效频带范围应包含桥梁的振动信号；(3)传感器的灵敏度足够高；(4)符合物理量类型的要求,尽量不要通过积分来得到所需物理量的值,避免因此产生不必要的算术误差。图1～图3举例说明几个常见物理量的表达方式,以供参考。

图1 朝天门大桥桥面温度监测

图2 阳逻大桥汶川地震监测

图3 坝陵河大桥关岭地震后评估

监测项目可根据结构特点、健康监测和安全评估的运营策略以及规范相关规定制定,常规的监测项目则如表2所示。

4 发展与展望

美国在20世纪80年代中后期,开始在多座桥梁上布设监测传感器,如佛罗里达州的Sunshine Skyway斜拉桥安装了500多个各类传感器,用来测量桥梁建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移。英国在20世纪80年代后期,开始研制和安装大型桥梁的检测仪器和设备,研究和比较了多种长期监测系统的方案,并在爱尔兰Foyle钢箱梁桥安装了监测系统。该系统的主要监测项目包括主梁挠度、气象数据、温度、应变等,试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监测系统。希腊的Halkis桥于1994年安装了有48个通道的振动加速度传感器的测振系统。丹麦曾对总长1 726 m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测；在大带桥(Great Belt Bridge)的结构安全监测系统中,安装了近200个各类传感器对桥梁结构的温度分布、结构沉降、位移、振动等进行监测。英国的Flintshire独塔斜拉桥、美国的Benicia-Martinez钢桁架桥、挪威的Skarmsundet斜拉桥、墨西哥的Tampico斜拉桥、加拿大的Confederation连续钢构桥等也安装了不同规模的结构安全监测系统。在亚洲,日本的明石海峡大桥、濑户内海大桥、柜石岛桥主要安装了风速仪、加速度传感器、位移计等,对于桥梁结构的气候环境、振动、结构沉降等进行监测。

表2 桥梁监测项目

我国国内目前已在包括江阴长江大桥、南京长江二桥、润扬长江大桥、郑州黄河大桥、钱江四桥、芜湖长江大桥、苏通大桥、阳逻长江大桥、贵州坝陵河大桥、杭州湾跨海大桥、深圳西部通道等众多桥梁在内的大跨径桥梁上建立了不同规模的健康监测系统。另外,中国香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上已安装了目前世界上规模最大的实时安全监测系统,3座桥梁共安装了800多个各类传感器,对桥梁在各种荷载作用下的结构状况、环境状况进行全面的监测,并对监测数据进行分析处理。而包含大约1 271个各类传感器的昂船洲大桥结构健康监测系统是世界上最具规模的大桥实时监测系统。

随着结构健康监测成为国际上的研究热点,大量的研究成果纷纷涌现,大量研究论文公开发表,其内容包括智能传感器、传感器的优化布置、数据的无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评估、桥梁生命周期管理养护等。目前,桥梁安全性评估方法所采用的理论主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等。

另外,召开了众多以结构健康监测为主题的国际性会议,如：国际健康监测研讨会,欧洲健康监测研讨会,新型结构健康监测研讨会及智能结构和健康监测会议。还有国际模态会议、SPIE年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等,也都有结构健康监测和损伤识别的专题。从1997年开始,在Stanford大学召开每两年一届的国际结构健康监测会议；2002年,意大利国际结构控制协会更名为国际结构控制与健康监测协会；2003年,第一届国际智能结构健康监测学术会议在日本东京召开,并成立了相应的学术组织；另外,美国土木工程师协会也成立了结构健康监测与控制分会,展开各种学术交流。我国自20世纪90年代中期开始桥梁健康监测方向的研究,并且在国家科委、国家自然科学基金委员会的多个项目的支持下,在大型桥梁结构病害调查、传感器最优布点、结构损伤识别、系统识别、结构剩余可靠度评定、桥梁结构理论模型修正以及斜拉桥结构环境变异性等方面开展了深入的研究。全国桥梁结构健康监测研讨会于2005年9月21日～22日在南京召开。第三届中日美三国结构控制和健康监测会议暨第四届全国结构控制会议于2005年10月14日～15日在大连理工大学召开。第二届国际结构健康监测会议于2005年11月16日～18日在深圳召开。第四届中日美结构控制与监测学术会议暨第五届中国结构控制年会于2006年10月16日、17日在浙江大学举行。

大跨度桥梁运营期监测技术研究目前仍然处于探索阶段,需要多学科的进一步交叉与发展,基本实现大型桥梁长期监测,并达到自动、经济、不妨碍交通的要求,尚有许多问题有待研究。长期监测技术的最终成功应用,必将促进结构安全(对地震,强风等强烈自然灾害后结构的状态进行快速和有效的评估,为维修决策提供依据),延长结构使用寿命(提早发现不定时的损伤累积,为有效遏制事态严重化提供保障)和科学探索(揭示结构在自然环境中真实的结构响应以验证现有桥梁理论)等方面产生重大的技术变革。

[1] Lauzon, R.G. (1995), Connecticut’s past experience and future plans for instrumentation of highway bridges, Proc. North Am. Workshop on Instrumentation and Vibration Anal[R]. Of Hwy Bridges, UCII’95.

[2] Aktan, A.E., Helmicki, A.J., Hunt, V.J. Issues in health monitoring for intelligent infrastructure[J]. Smart Materials and Structures, 1998(7)：672-692.

[3] Aktan, A.E., Catbas, F.N., Grimmelsman, K.A., and Pervizpour, M. Development of a model health monitoring guide for major bridges, Final Report to Federal Highway Administration, Dexrel Intelligent Infrastructure and Transportation Safety Institute[R]. Dexrel Univeristy, USA. 2002.

[4] Mufti, A. (2001), Guidelines for structural health monitoring[M]. Design Manual 2, ISIS Canada.

[5] 黄启远,大跨度桥梁的结构健康监测和结构安全评估[C]∥二省二特区特大型桥梁学术交流会.香港：2009.

[6] Xu Y. L.“Making Good Use of Structual Health Monitoring Systems∶Hong Kong’s Experience”[R]. Structual Disaster Prevention, Monitoring and Control: Hongnan LI&Tinghua YI. 2008.

[7] 汪正兴,李星新.光纤光栅压力环研制及拉索索力测试与疲劳分析系统[R].武汉：中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院，2008.