公路桥隧结构区域分布传感监测技术及病变和灾变早期识别(上)

吴智深

(1.东南大学城市工程科学技术研究院,南京 211100;2.长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室,南京 211100)

桥隧是高速公路路网必不可少的组成部分,是交通运输的重要载体。桥隧的安全性、耐久性和适用性对保障交通运输具有重要作用。为了适应桥隧长期安全服役、高效运行和可持续发展的需求,各国开展了大量研究并制定了一系列针对桥隧维护管理的政策和措施。例如,美国联邦高速公路管理局在2005 年启动了“桥梁长期性能项目”,旨在通过全美高速公路桥梁的检测和监测数据,促进对桥梁性能老化和退化等结构病变的认识和理解,最终实现桥梁的合理维护并延长其使用寿命。欧盟启动了“可持续桥梁:评估未来的交通需求和更长使用寿命项目”,通过运用先进的监测技术和结构分析技术,制定适合的维护管理措施,以达到延长在役桥梁使用寿命25%的目标。日本国土交通省提出了“基础设施长寿命化国家基本计划”,该计划的目的是在结构发生致命性损伤前发现问题并及时采取修复和加固措施,从而保障桥梁、隧道等重大基础设施的结构安全,尽可能延长其安全服役期。预计到2030 年,该计划可实现因老化等病变导致的零重大事故的目标。2011 年东日本大地震后,日本进一步提出了“国土强韧化”政策,旨在通过提高维护管理水平等手段,提升桥隧等重大基础设施结构的灾变应对能力,进而建立抗灾韧性化国家体系。我国自改革开放以来,交通运输产业和基础设施得到明显加强。中华人民共和国交通运输部发布的《2022 年交通运输行业发展统计公报》显示,截至2022 年年底,全国公路桥梁103.32万座、8576.49万延米,其中特大桥8816座、1621.44万延米,大桥15.96万座、4431.93万延米;全国公路隧道24850处、2678.43万延米,其中特长隧道1 752 处、795.11 万延米,长隧道6 715 处、1 172.82 万延米。另外,交通运输产业的蓬勃发展也对桥隧结构维护管理的策略提出了更高要求,从传统的事后性维护管理、周期性维护管理,逐步向预防性维护管理,乃至预知性维护管理发展。然而桥隧结构在服役过程中产生病变和灾变的因素众多,同时存在多因素的耦合作用等。这需要借助各种精准的检测和监测手段,获取能够反映结构病变和灾变特征的有效数据,从而通过这些数据对桥隧结构的状态进行识别,进而对已发生和将要发生的病变和灾变因素进行及时预警,并为后续的预防和治理提供有效的数据支撑和依据[1]。

由于桥隧结构规模巨大、构造复杂、影响因素众多,局部单一物理量的监测已难以有效地反映结构整体的劣化进程,更为先进的结构健康监测(structural health monitoring,SHM)技术得到迅速发展。自20 世纪90 年代以来,发达国家不断开展关于结构健康监测涉及的传感技术以及评估技术的研究探索。目前已基本解决了具有明显损伤或已处于严重损伤状态的工程结构损伤识别、分析与评估问题。然而,对于损伤不明显的早中期阶段,以及处于快速劣化中晚期的安全监测和维护管理仍是当前的公认难题。比如应变通常被认为对结构损伤敏感,但现有的各类应变计包括先进的光纤光栅传感器都属于点式传感器,它们对桥隧等大型结构来说监测过于局部,导致很难就病变和灾变关联的结构状态实施有效的监测。又如加速度计、位移计、倾角仪等监测结构宏观指标的整体监测仪器,理论上损伤后结构的固有频率、位移和转角等宏观指标会变化,但结构宏观指标的监测对结构局部损伤并不敏感,加之噪声等问题,实际工程应用中很难得到有效的监测效果。在评估技术方面,如何建立结构整体和局部多尺度的损伤识别,以及分析多种因素作用下损伤演化规律是桥隧结构健康评估的关键点和难点。然而由于监测技术的不足,加上材料特性的离散性、结构的复杂性和多样性,很难对桥隧结构的健康状态做到及时、科学的分析评估,特别是早期损伤关联的结构响应变化一般很小,目前尚缺乏针对性的监测技术和有效的评估方法。

为了加快建设桥隧病变和灾变早期监测的技术系统,本文首先针对早期监测的必要性,分析桥梁和隧道的典型损伤及其病理信息,并对近年来结构健康监测研究的最新工作进行综述。在此基础上,针对国内外结构健康监测研究存在的关键问题,介绍作者所提出的满足大型桥隧结构整体和局部的结构区域分布传感监测理念,以及基于区域分布式监测的结构识别方法。进而针对结构病变和灾变早期精准监测的技术要求,从传感方法、损伤识别原理、监测系统建立方法等方面进行分析。最后,利用宏应变(macro-strain)模态具有对局部损伤敏感的特性,在相关学者针对宏应变模态的实测、应用等研究工作的基础上,阐述各类病变和灾变早期监测解决方案和实施效果。

1 结构健康监测目标与研究现状

1.1 结构健康监测的目标

在过去的三十年中,结构健康监测系统在世界范围内被设计和实施,并继续发展、改进和监测各种类型的工程结构在其服役寿命下的结构性能和运行条件[1]。结构健康监测是通过自动化监测系统对结构在役状态进行健康评估的过程,通过在结构上布设大规模、多种类的传感网络,实时对传感数据进行分析、处理,诊断损伤并评估结构的安全状态。结构健康监测的核心目标是利用监测数据及早识别结构损伤并评估结构当前和未来的健康状态,及时对结构进行预防性养护,保证结构的安全。

1.2 结构健康监测现状

在实际工程中对SHM 存在大量需求,但现有SHM 技术的实际功效受到质疑,尤其在损伤识别方面[2-6]。为了更好地阐述SHM 现状,以下将会从传感技术、传感器功能和系统综合性能几个方面来阐述现有技术是否能有效地实现损伤识别。

1.2.1 传感技术现状

从传感方式和获得的信息上看,可以将现有传感技术分为局部传感技术和整体传感技术。

局部传感技术的基本理念是在事先掌握可能发生损伤位置的情况下,通过点式传感器对结构局部损伤的大小、程度、随时间的变化进行监测。常见的点式传感器包括应变计(也包括点式的光纤传感器)、裂缝计、钢筋应力计、位移计等。利用这些传感器可以实现一定范围内结构的局部监测项目。比如在实验室内,可以通过局部传感技术对混凝土构件上探明损伤处或结构局部敏感位置进行监测,以准确地监测其力学性能变化。实际工程中结构受力情况一般比较复杂,且相应结构多由非均质材料构成,对于大尺度混凝土结构或构件,单个应变片很难实现该部位的准确应变测量。通常情况下应对这一难题的方法是尽可能多地在关键区域布置应变片,再对该区域的点式应变求平均值来近似得到区域的平均应变。然而,传统的点式传感器无法实现分布或准分布测量,而光纤布里渊散射等分布式传感技术在精度和动态测试等方面的指标有待提高,因此它们都无法适用于上述高性能、高精度的结构区域分布传感[7]。

整体传感技术的基本理念,是针对事先不知道损伤是否存在或可能发生损伤但位置不明了的结构,实施整体传感。常见的传感器包括加速度计、位移计、倾角仪、GPS(global positioning system,全球定位系统)等,利用这些传感器可以测量结构的加速度、位移和转角等宏观参数。整体传感技术的监测方式包括连续监测方式和定期监测方式,也可以应用于一些特殊要求的现场测试。总体上,结构整体传感技术种类多,工程应用相对普遍。由于各类传感器的测量参数各不相同,通常需要采用数量众多的不同类型传感器以满足大型结构的监测和分析需要,这会导致系统构成错综复杂,为构建有效统一的监管系统带来难度。其次,动态或静态的整体传感技术过于宏观,监测数据与结构损伤相关性弱,未达到结构健康监测实际应用的要求,尤其是测量精度不够和实用性不足的问题突出。如采用拉线式位移计测挠度的相关技术比较成熟,但在实桥测试中由于很难找到测试基点,该方式难以直接应用于桥下为河流或者交通要道的监测对象。又如GPS 位移测量技术在实际工程应用中基本可以满足厘米级横向静位移的测量,然而对于纵向位移尤其是毫米级纵向动位移,该技术尚无法满足微小变形测量的要求。再如连通管转角测量技术因其操作简单,被广泛应用于桥梁、隧道、边坡等监测系统中,但由于该技术精度相对较低,且易受恶劣天气影响,长期稳定性不足导致不能提供有效的评估依据。又如基于激光的位移传感技术具有较高的短期精度,但激光的发生装置相对复杂且价格昂贵,与此同时它对位移的测量精度同样受到测量距离的影响,为实际应用带来了难度。常规传感监测(局部传感、整体传感)现状如图1 所示。

图1 常规传感监测(局部传感、整体传感)现状

1.2.2 传感器功能现状

在结构监测领域,传感器是实现结构健康监测的关键设备,然而现有的传感器大多只能完成单一的测量任务,如测量应变、位移、加速度等,这使传感器不能同时获得结构不同方面的信息。而且需要部署大量的传感器才能全面监测结构的健康状况,这会增加监测的成本和复杂度,并且在数据采集和处理方面造成困难。另外,结构健康监测需要长期、持续地监测结构的状态,但由于外界环境的影响、传感器自身的寿命以及长期使用带来的疲劳等因素,现有的传感器易出现失效或数据偏差,在现场部署大量传感器时,还需要考虑传感器的可靠性和维护成本等问题。以桥梁为例,作为世界上跨度最大悬索桥的日本明石海峡大桥,它的SHM 系统使用了当时最先进的12 类不同目的、不同传感方式的监测系统,基于单一局部或整体传感技术的监测系统如图2 所示。这些传感器收集的数据类型和频率均不相同,产生的监测数据量很大,要准确识别结构状态,需要对这些数据进行处理和分析,提取结构健康信息并及时报告异常情况。然而,由于数据量大且复杂,桥梁工程师和管理者难以快速找出关键信息,尤其是在识别早期病变或疑难病症时更为困难,这导致监测数据不能充分发挥其应有作用,影响了对于监测技术的信任和认可程度。因此,需要采用智能化监测技术来协助桥梁工程师和管理者解决相应问题,提高监测数据的处理效率和准确性,保障桥梁和隧道的健康和安全。

图2 基于单一局部或整体传感技术的监测系统

1.2.3 系统综合性能现状

常用的全局结构传感器包括加速度计、陀螺传感器、倾角传感器和其他几种类型,通过这些传感器可以测量和监测结构加速度、位移、扭转变形等宏观指标和响应。常用的局部传感器包括应变片等器件,或点式光纤传感器,可用于监测、检测和测量接缝和连接等结构细节中的裂纹、腐蚀等损伤。众多类型的传感器网络需要各种类型的传感器,这导致SHM 系统的复杂性和高成本。现有传感系统的综合性能对比(以光纤类为例)如图3 所示,光纤光栅传感系统虽然具有精度高、可满足动态测量的特点,但其本质为点式传感,不能满足大型结构大范围分布测量的要求。而光纤布里渊散射[BOTDR/BOTDA(布里渊光时域反射/布里渊光时域分析)]等传感技术虽然在一定程度上可满足分布式测量的要求,但此类技术输出应变是根据在一定可识别范围内(最小空间分辨率)以一定采样间隔依次排列的多个点的多次连续采样后的特征值,特别是对混凝土裂缝计算或非均布应变测量时,在不了解其传感特性的情况下会造成计算误差,对其精度和动态测试等方面的指标有待提高。

图3 现有传感系统的综合性能对比(以光纤类为例)

因此,上述光纤传感技术在一定范围内虽有各自的优势,但均无法同时满足桥梁、隧道等大型土木工程结构对于精度、动态、大范围分布以及长期稳定的综合性能要求。

2 结构区域分布传感监测

2.1 结构区域分布传感监测理念

人体包括大脑、心脏等关键部位,这些重点部位的监测与保养对人体的健康起到决定性作用。与此类似,桥隧结构体系庞大、构件复杂,同样也包括一些对结构安全起到关键作用的区域。桥隧结构的关键区域是指对结构性能起到重要作用或容易发生结构损伤的区域,例如大跨悬索桥梁,其易损的破坏区域包括跨中的挠度过大区域、桥墩的开裂破坏区域、梁塔接合部位的疲劳开裂区域以及主缆断丝区域等。

作者在研究过程中依据医学中对人体关键部位(如心脏、肺部等)的健康诊断,提出了针对结构关键区域的区域分布传感的理念,结构区域分布传感探测原理与人体早期病变诊断关系[8]如图4所示。

图4 结构区域分布传感探测原理与人体早期病变诊断关系

其基本理念是通过在关键区域布设传感器实现重点监测,以实施有效的结构监测并保证其健康安全。类似于人体对自身关键部位的自感知功能,区域分布传感技术是采用一种具有损伤覆盖能力的传感单元(几厘米到几米长度或几平方厘米到几平方米面积)进行串联覆盖一个结构关键区域(几米到几十米长度或几平方米到几十平方米面积),然后各区域再连接形成覆盖整个结构的区域分布传感网络。在文献[1]中分别对结构区域传感理论、结构状态参数、损伤识别方法以及结构性能评估方法进行了详细论述。

2.2 宏微观结合的区域分布传感技术

2.2.1 区域分布传感技术

应变作为对结构损伤最敏感的指标之一,在结构性能评估中受到广泛关注。传统应变技术包括电阻应变片、钢弦式应变计和PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器等相关的电子式应变传感技术,由于其通过电导线进行信号传输,在信号转换和传输过程中存在损耗率大的问题。伴随着光纤通信的快速发展,各种光纤传感技术应势而出。光纤传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小、传感一体化、系统集成性高及分布式测量等优点,适合土木结构的长期实时监测,因此该技术成为应变传感技术主流。

然而,正如前文提到的,光纤光栅或布里渊散射光传感依然在传感技术、功能、系统综合性能方面存在不足。为此,作者及其团队针对桥隧结构应用中的“整体”和“局部”传感问题,依据提出的区域分布传感理念及区域分布应变传感技术[9],发明了适合获得结构宏观和微观信息的区域分布应变传感技术[10]。该技术采用光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)[11-14]或布里渊散射光纤[15-16]作为传感芯线,通过长标距化使输出能够反映被测结构一定区域或特征尺度范围内的物理量变化,实现区域分布应变动静态测量。此外,为克服传统光纤易脆断、易滑移、耐久性差等缺点,区域分布应变传感技术采用高耐久纤维复合材料进行光纤封装以提高耐久性,通过光纤与树脂界面黏结变刚度设计解决光纤锚固难的技术问题,通过改变传感器标距内部段截面刚度实现增敏效果。同时区域分布应变传感技术可以串联形成分布式传感网络并对结构进行监测,将结构局部与整体结合,实现对结构关键区域的高精度、动静态监测,为进行结构全面识别和多层次分析提供基础[17-18]。区域分布传感器如图5 所示。

图5 区域分布传感器

2.2.2 区域分布传感器的传感性能

区域分布传感器的传感性能主要包括区域分布传感器的静态测试性能、可重复测试性能、动态测试性能以及耐久性能。

1) 区域分布传感器的静态测试性能

区域分布传感器的静态测试性能主要是标定其传感器的应变传感系数及其在应变拉伸过程中的线性度。传感器静态测试性能装置如图6 所示,标定装置由固定端、活动端、支架、旋转装置和千分表组成。千分表对于1 m 标距长度传感器的精度为1 个微应变,其所测值作为标准值(真实值),通过旋转装置逐步增加传感器的应变从而得到实测应变变化和传感器中心波长变化的关系,不失一般性,在小应变情况下增加的应变幅度为20 个微应变,在大应变情况下增加的应变幅度为50～200 个微应变。

图6 传感器静态测试性能装置

传感器静态测试性能的试验结果[1]如图7 所示,本次试验标定了传感器在封装前后的应变灵敏度系数。传感器在封装前后的灵敏度系数基本不变,即封装材料本身不改变传感器的灵敏度系数,每一个传感器的应变灵敏度系数基本在1.2 με/pm左右,图7 中横坐标是根据千分表实测的位移除以标距长度换算的微应变,纵坐标为光纤光栅解调仪实测的波长变化。

图7 传感器静态测试性能的试验结果

2) 区域分布传感器的可重复测试性能

区域分布传感器可重复性测试的目的是验证传感器在反复荷载作用下的可重复性效果如何,这关系到实际桥梁结构在反复车辆荷载作用下传感器的精度问题。区域分布传感器可重复性测试性能的装置如图8 所示,试验中采用了两个标距为20 cm 的传感器粘贴在悬臂梁上,悬臂梁的端部有一个吊重,通过逐步增大砝码质量或逐步减小砝码质量来模拟反复荷载的作用。

图8 区域分布传感器可重复性测试性能的装置

区域分布传感器可重复性测试试验结果[1]如图9 所示,横坐标为端部加载的重量,纵坐标为传感器的测试应变,通过反复5 次加载-卸载过程的测试结果表明,五条应变-荷载曲线基本重合在一起,且都能回到零点位置,这进一步说明封装的传感器具有非常好的可重复测试性能。

图9 区域分布传感器可重复性测试试验结果

3) 区域分布传感器的动态测试性能

区域分布传感器的动态测试性能装置及测试结果如图10 所示,在一悬臂梁上布置一个标距长度为20 cm 的已完成封装的应变传感器,作为比较,同时布置一个传统加速度传感器,在动态激励下典型应变时程如图10(b)所示。由于是在单点锤击激励,典型应变时程是一种自由衰减过程。

图10 区域分布传感器的动态测试性能装置及测试结果

对所测得的长标距应变时程和加速度时程分别进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析,其所得的应变频谱上出现4 个明显峰值点,对应结构前四阶自振频率(第一阶2.47Hz,第二阶15.49Hz,第三阶43.77Hz,第四阶85.56 Hz),加速度频谱图上出现了3 个明显的峰值点,对应结构的三阶自振频率(第一阶2.48 Hz,第三阶43.74 Hz,第四阶85.5 Hz),加速度传感器没有识别出结构的第二阶自振频率,其原因是加速度传感器布置在结构第二阶位移模态的节点上(振型幅值接近于零的地方),比较区域分布传感器和加速度传感器识别出来的结构固有频率发现,区域分布传感器具有传统加速度传感器良好的动态测试性能(整体模态参数识别)。

4) 区域分布传感器的耐久性能

本课题组对本文封装的区域分布传感器进行一系列耐久性测试(疲劳、紫外线辐射、干湿、酸腐蚀、碱腐蚀等测试),测试结果表明,区域分布传感器在考虑各种因素影响下其传感性能变化非常小(在2%以内),传感器耐久性能测试结果[1]如图11 所示。

图11 传感器耐久性能测试结果

2.2.3 宏微观结合、损伤覆盖的传感方法

区域分布应变传感技术的一个重要思想是测量结构在一定标距内的宏应变,而非一个点的局部应变,满足结构区域-构件-整体全面监测的区域分布传感技术如图12 所示。

图12 满足结构区域-构件-整体全面监测的区域分布传感技术

通过宏应变直接反映和关联结构应变、转角等宏微观信息并实现损伤覆盖。区域分布应变传感器针对结构损伤可能发生的区域进行分布式监测,所输出的区域分布应变与位移、转角、荷载等有直接关系,实现了单种传感技术具有各类结构的损伤覆盖监测的“一专”优势,同时满足高精度动静态应变、应力、变形、转角、沉降等各项监测项目的“多能”特点,从而利用这种“一专多能”的区域分布传感器,获得类似于人体通过多层次检查的有效传感数据,这才能从实际意义上实现结构病变和灾变的早期监测。

2.2.4 结构区域分布应变与变形转角、荷载、内力及动力参数的直接映射关系

1) 结构区域分布应变

实际上,任何应变传感器都有一定的测量标距,每个传感器将覆盖一定范围的结构,为便于统一说明,这里假定应变都是在一定长度范围的宏应变。以典型的欧拉梁为例,假设一组标距为Lm的应变传感器安装在梁的底部,串联这些传感器即可实现结构分布式测量。标距Lm的应变传感器测量的宏应变[19]如图13 所示。

图13 标距Lm 的应变传感器测量的宏应变

对于每个传感器对应的每个节点包括两个自由度(一个平移和一个转角)。对于i点,点式应变如式(1)所示。

式中,yi为i点的中性轴高度;ϕi为i点的曲率;Mi为i点的弯矩。

对于m单元,宏应变如式(2)所示。

式中,ym为m单元的中性轴高度;θi、θj为m单元左右两端的转角位移。

由于m单元的曲率ϕm=,也等于i点到j点曲率的平均值。因此,对于没有损伤的结构,m单元的宏应变就是i点到j点应变的平均值,其表达式如式(3)所示。

2) 区域分布应变与变形转角、荷载、内力及动力参数的直接映射关系

由上述分析可知,对于一个完整的结构,可通过区域分布应变传感器进行分布式布设,获得结构由点至线到面的完整应变分布。在桥隧结构中,梁、板、柱是非常普遍的构件形式,而应变分布作为结构构件的一个重要特征,能够进一步实现结构挠度、转角、曲率、刚度、裂缝、应力、动力特性等结构状态参数的全面识别,结构区域分布应变与变形转角、荷载、内力及动力参数的直接映射关系如图14 所示,从而达到根据各个参数从微观局部到宏观整体的精准监测及评估的目的。

图14 结构区域分布应变与变形转角、荷载、内力及动力参数的直接映射关系

为说明通过应变分布全面识别结构各个状态参数的方法和效果,以一组水平地震荷载作用下钢筋混凝土柱的试验结果进行详细说明。在该试验中,钢筋混凝土柱的截面尺寸为0.2 m×0.2 m,柱身高1 m。在浇筑混凝土前,将区域分布应变传感单元通过与玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)复合形成自感知BFRP 增强材料,并与钢筋一起绑扎从而直接监测加载过程中的应变变化。其中内置的区域分布应变传感单元标距为10 cm,自感知BFRP 布设位置如图15 所示。

图15 自感知BFRP 布设位置

基于结构区域分布应变测量的结构多参数识别结果[1]如图16 所示,图16(a)显示了柱身各单元的应变监测结果,结果表明在加载后期尤其钢筋屈服后,柱角处的应变增加更显著。进而通过各单元的应变输入模型反演各单元的曲率、柱顶位移和转角,结果分别如图16(b)至图16(d)所示。结果表明,反演结果与直接测量的荷载、位移、转角的结果接近,对损伤具有表征作用。

图16 基于结构区域分布应变测量的结构多参数识别结果

2.2.5 基于区域分布传感技术的区域-构件-整体多尺度分析方法

根据上述内容可知,对于一个完整的结构,可通过区域分布应变传感器进行分布式布设,获得结构由点至线到面的完整应变分布。对于各个传感单元对应结构的一个独立单元,在已知单元内各材料特性和几何特性的条件下,对各个单元进行单元级别的解析,以获得各单元的中性轴、曲率、应力分布等信息。由于已获得结构完整的应变分布,根据平均曲率计算获得结构的平均弯矩。此时平均弯矩作为一个与结构整体抗弯性能有关的参考值,可以评价各个单元内材料特性和几何条件的退化状况。之后通过子结构法等分析方法对各个单元进行整合,即可达到更精确地计算结构构件实际状态的目的,并将此用于整体结构性能分析和评估。从区域到构件再到整体的识别评估方法如图17 所示。

图17 从区域到构件再到整体的识别评估方法

3 结构区域分布传感系统

3.1 结构监测系统

1) 大型桥隧结构监测系统

根据以上内容所述,可以把数据处理子系统中的部分内容,比如数据预处理,集成到结构分析端进行。下面以大跨度桥梁监测系统为例,介绍区域传感概念构建大跨度桥梁监测系统。本案例将数据预处理工作分成3 个部分,初始的区域分布应变的采集及预处理是在数据采集子系统中进行,另一部分则是在下文中介绍的结构分析评估子系统,以及结果发布子系统中进行。通过稳定可靠、实时采集与分析、数据远程传输的大跨度桥梁监测系统,为桥梁的长期使用和必要的养护决策提供强有力的技术支持,具体可实现的目标为:①通过区域分布监测系统获得与损伤(特别是早期损伤)直接相关的参数,并实时掌握桥梁关键区域的各类动静态结构指标。②通过动静态结构指标变化过程及趋势,进一步调查桥梁关键区域的既有损伤程度及衍变规律,并结合监控周边的环境振动、温度、降水等环境因素,分析损伤和病害主要产生的因素,对结构性能可能造成的影响进行预警。③根据需求,通过远程网络发布日报表、周报表及年度报表等数据报表,及时了解桥梁实时情况及各测点的特征值和预处理结果。通过大量的特征值和对实时采集数据的分析实现损伤识别,并建立实用的安全评估和预警系统。当监测到的相关指标超过某一等级预警值时,系统会自动进行相应等级的预报警,并采用多种方式将信息及时转达给相关管理人员,提示后台及时对桥梁当前状态进行安全评估,通知相关人员采取安全控制措施,避免重大安全事故的产生。④积累桥梁关键区域的状态数据,为长期运营和养护、维修、加固提供必要的决策依据;同时当发生突发事件后,为快速安全状态评估提供依据。大型复杂桥隧结构的安全与健康全面监测系统如图18 所示。

图18 大型复杂桥隧结构的安全与健康全面监测系统

2) 中小桥梁轻量化监测系统

中小桥梁是指总长小于100 m 且单孔跨度小于40 m 的桥梁。在全国公路桥梁总数中,中小桥梁约占87%,具有大量且广泛分布的特点。作为我国交通网的重要组成部分,中小桥梁的运行状态直接关系到整条道路的通行能力和安全性。然而,在桥梁健康监测的标准体系方面,目前主要集中在大桥和特大桥梁上,如《结构健康监测系统设计标准》(CECS 333:2012)、《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T 1037—2016)等标准的制定。这表明大桥的监测系统设计技术已相对成熟和规范化,然而针对中小桥梁的健康监测与预警系统设计缺乏整体性和规范性的指导原则,目前尚未建立科学统一的相关设计标准。此外,在传感器的优化布置算法方面,中小桥梁的健康监测与预警系统的传感器布局仍处于探索阶段。例如,如何在已发生损坏的桥梁上添加传感器等问题仍不明确。因此,对于中小桥梁的健康监测与预警系统设计,需要进一步研究和制定具有整体性和规范性的指导原则。同时,在传感器的布置和优化算法方面,还需要更多的研究和实践,以提高中小桥梁健康监测的准确性和效果。

为此,作者及其团队针对中小桥结构(群)量大面广的特点,提出基于前文提到的“一专多能”的区域分布监测技术,并对桥体关键部位进行轻量化监测方案设计,精准获得关键构件的变形、曲率分布及扭转,从而保证计算精度,中小桥梁轻量化监测系统如图19 所示。

图19 中小桥梁轻量化监测系统

3) 结构分析评估子系统

数据分析系统是整个健康监测系统的核心内容,在本案例中通过上述提及的结构区域分布应变与各种变形转角、荷载、内力及动力参数的直接映射关系,从而建立以下子系统:①结构宏应变处理;②结构的挠度解析;③应变响应的频谱解析;④应变模态解析;⑤结构损伤识别。各类参数显示界面如图20 所示。

图20 各类参数显示界面

结构的损伤识别在软件的“损伤识别”模块里进行,以基于相对宏应变模态向量统计数据的损伤识别方法为例,结构分布式布置的传感器可以分为目标传感器和参考传感器两大类,在利用该方法进行损伤识别时,参考传感器应选择在发生损伤概率最小的地方(远离易发生损伤的区域),同时,可以通过多次选择不同参考传感器进行相互校核的方式以防止某个参考传感器的覆盖范围内发生损伤的不利情况。对于实现各类病变和灾变的监测技术方案,将在本文下一节中结合示例进行具体的介绍。

3.2 监测系统案例

1) 公路桥梁损伤监测案例

以日本一座既损桥梁的实桥监测为案例[20],具体介绍点式应变与区域分布传感数据的区别,以及利用宏应变模态实现结构损伤识别。该桥为日本中西部的一座公路用双车道4 跨预应力箱梁桥,全长300 m,于1972 年建成,日通车量在15 000 辆左右。为评价补强加固施工的效果并监测桥体工况及其安全性,该桥负责部门邀请了多家资深结构评估单位对桥体实施定期检查和实时监测,作者团队是受邀的主要评估方,所采用的监测方案是在加固工程开始前,分别在主桥第一跨及第四跨分布布设了区域分布长标距传感器。区域分布长标距传感器的标距长度为1 m,分别在桥体左侧、右侧(上游、下游)布设了12 根。桥体损伤及传感器布点示意[1]如图21 所示。

图21 桥体损伤及传感器布点示意(单位:mm)

在文献[20]中,对传统应变片和区域分布长标距传感器在桥体第一跨左右两侧的应变分布进行了对比,桥体应变分布对比如图22 所示。

图22 桥体应变分布对比

结果显示区域分布长标距传感器的监测体系能够完整地显示桥体的应变情况,并对多个局部损伤位置进行良好的指征。这意味着区域分布长标距传感器能够提供更全面的桥体应变信息,并且在识别多处局部损伤方面具有良好的效果。相反,同一位置的应变片结果存在较大离散度,受安装条件限制,只能获取桥体局部的应变信息。

2) 地震监测案例

下面通过一座日本铁路桥的损伤识别来展示区域分布传感器技术在结构早期损伤识别中的效果。日本新干线在安全方面一直享有“最安全舒适的交通工具”的美誉。2011 年东日本大地震后,在日本东北地区多次发生震级5 级以上的地震。为满足安全运营、保障该地区的正常交通,实现突发事件后快速完成损伤识别、结构安全性能评估,以达到30 min 内对全线交通运营能力进行判断的目的,在东日本铁路公司的要求下,2012 年开始对东北新干线所在重要交通桥梁实施光纤传感器的监测工程。本案例中监测对象为一座钢筋混凝土连续梁刚桥,该桥于1982 年正式运营,并被使用超过30 年。为满足异常突发事件后快速安全评价的要求,提出使用长标距FBG 传感器,并分别将该桥的桥梁和桥墩,按轴向和切向划分为4 个传感区域。

在该桥的连续监测中,采集列车通过时的应变输出。在监测过程中,记录到地震等异常事件发生时及其前后一段时间的应变响应。地震时有大应变发生(300 微应变以上),达到了混凝土微裂的程度,但地震前后的列车通行造成的应变值并未有明显变化。

为进一步评价结构的安全性,对每天应变峰值、列车通过时挠度变化及列车通过时激励产生的频率等结构状态参数进行连续对比。结果显示,虽然8 月发生过多次地震,甚至震级达到5 级,但LSMV(高压变频器)的比值并未出现偏转,即结构未出现可识别损伤。但11 月比值出现明显变化,即意味着损伤的出现。

通过现场勘察,确认了在监测点上微裂缝的存在。由于该裂缝宽度较小,受桥体自重影响,平时处于闭合状态,因此唯有当列车通过时才能在短时间观察到。这次成功的微小损伤识别案例,再次说明了区域分布应变传感技术具有重要意义。基于宏应变模态对局部微小损伤识别结果[1]如图23 所示。

图23 基于宏应变模态对局部微小损伤识别结果

4 结语

为解决我国基础设施的质量问题,提高工程结构的可持续性并有效降低维护成本,需要采用新的建造与维护模式。区域分布传感技术结合了结构整体与局部、动态与静态信息的监测,具有广阔的应用前景。本文总结了课题组近年来在区域分布传感技术方面的研究工作,包括理论研究、实测以及应用案例,其主要结论如下。

(1) 桥梁隧道等交通基础设施安全长寿命的关键之一是做到损伤的早期精准检/监测。

(2) 结构区域分布传感理念顺应了工程结构的特性、特征,有机地弥补了结构局部传感和整体传感的不足,能够有效地用于损伤的早期精准识别及状态全面评估。

(3) 基于结构区域分布传感理念获得的宏应变分布数据直接反映和关联结构应变与转角等宏微观信息并实现损伤覆盖。利用建立的宏应变分布与位移、转角、荷载等直接映射关系,能够实现应变、转角、变形、荷载、动力特性等多种监测功能,即达到“一专多能”的效果。

(4) 基于结构区域分布传感理念获得的宏应变模态适用于常见的加速度测量发展起来的模态测试技术。作者及国内外学者的研究结果表明,宏应变模态不仅能减少测量噪声和环境扰动带来的不利影响,而且宏应变模态对局部损伤非常敏感,在损伤识别效果上优于以往基于传统加速度测量发展起来的损伤识别技术,从而形成了桥梁的拉索断丝、支座老化、冲刷、滑坡以及隧道的收敛变形、不均匀沉降、围岩变形等典型病变和灾变的早期监测技术。