桥梁健康监测
2015-07-29
桥梁建成以后，由于受气候、环境因素的影响，结构材料会被腐蚀和逐渐老化，长期的静、动力荷载作用，使其强度和刚度随着时间的增加而降低。这不仅会影响行车安全，更会使桥梁的使用寿命缩短。对桥梁结构的健康状况进行检测与监测，并在此基础上对其安全性能进行评估是桥梁运营日常管理的重要内容。桥梁健康监测具有十分重要的作用。
一、桥梁健康监测的概念
桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。
二、桥梁健康监测的内容
1、施工阶段的健康监测内容
大跨桥梁结构由于在施工阶段受到施工荷载或自然环境因素的影响而使结构变形或受力与成桥状态的设计要求不符，因此为确保施工中桥梁结构的安全和保证结构物的外形和内力状态满足设计要求，需在施工中对其进行健康监测。其监测的主要内容有：
（1） 几何形态检测。主要是获取已经完成的结构实际几何形态参数，如高程、跨度、结构或缆索的线形、构造物的变形和位移等。
（2） 桥梁结构的截面应力监测。这是桥梁施工阶段安全监测最重要的内容，包括混凝土应力、钢筋应力和钢结构应力的监测，它是桥梁施工过程的安全预警系统。
（3）索力监测。大跨径桥梁采用斜拉桥和悬索桥等缆索承重结构越来越普遍，斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆索及吊索的索力是设计的重要参数，也是桥梁安全监测的主要监测内容。
（4） 预应力监测。主要对预应力筋的张拉真实应力、预应力管道摩阻导致预应力损失以及永久预应力值进行监测。
（5） 温度监测。对大跨径桥梁，特别是斜拉桥或悬索桥，其温度效应十分明显，斜拉桥的斜拉索随温度变化的伸缩，将直接影响主梁的标高；悬索桥主缆索的线形也将随温度而变化，此时对温度进行监测十分必要。
（6） 下部结构的监测。对于斜拉桥和悬索桥等特大型桥梁，其构筑物基础分布集中，荷载集度通常非常大，因而必须对地基的内外部变形、地锚的应力以及主塔桩基的轴力等进行监测。
2 运营阶段的健康监测内容及使用的传感器
（1）荷载监测。包括风、地震、温度、交通荷载、声荷载等。所使用的传感器有：风速仪——记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后可得到风功率谱；温度计——记录温度、温度差时程历史；动态地称——记录交通荷载流时程历史，连接数据处理后可得交通荷载谱；强震仪——记录地震作用；摄像机——记录车流情况和交通事故等。
（2）表面形貌监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移、裂纹、斑点、凹坑等。所使用的传感器有：位移计、倾角仪、GPS、电子测距器（EDM）、数字像机等。
（3）结构的强度监测。监测桥梁的应变、应力、索力、动力反应（频率模态）、扭矩等。所使用的传感器有：应变仪——记录桥梁静动力应变、应力，连接数据处理后可得构件疲劳应力循环谱；测力计（力环、磁弹性仪、剪力销）——记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史；加速度计——记录结构各部位的反应加速度，连接数据处理后可得结构的模态参数。
（4）振动监测。监测结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数等。
（5）性能趋向监测。监测结构的各种主要性能指标等。
（6）非结构部件及辅助设施。监测支座、振动控制设施等。
对于不同的监测对象，由于影响其工作性能的控制因素不同，所以监测的物理参数各不相同。同一物理参数对不同的结构又具有不同的灵敏度，所以效果也不同。因此，桥梁结构健康监测中监测对象的选择是至关重要的一步。通常对于大型桥梁结构而言，常以振动监测、荷载监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标，且通常选择灵敏度高的特征参数或几种参数联合使用作为监测对象。完善的桥梁健康监测系统可以验证桥梁设计理论、施工质量，监测结构局部和整体服役状态、监测结构损伤、抗力衰减及其演化规律，识别结构损伤及其位置。进行桥梁安全性、耐久性评定与预测以及桥梁安全事故预警等等。但在相当长的时期内，桥梁结构健康监测系统还不能完全取代传统的人工检查，而只是配合人工检查，但对于大跨桥梁来说，有了可靠的桥梁结构健康监测系统，至少可以缩小人工检查的范围，加快损伤识别的速度。
三 桥梁监测方法
1 基于动力的健康监测方法
目前研究中的大部分桥梁结构健康监测方法，集中于使用动力响应来检测和定位损伤，因为这些方法是整体的检测方法，可以对大型的结构系统进行快速的检测。这些基于动力学的方法可以分为如下四类：①空间域方法，②模态域方法，③时域方法，④频域方法。其中空间域方法根据质量、阻尼和刚度矩阵的改变来检测和确定损伤位置；模态域方法根据自振频率、模态阻尼比和模态振型的改变来检测损伤；在频域方法中，模态参数如自振频率、阻尼比和振型等是确定的，从非线性自回归移动平均模型估计出光谱分析逆动力问题和广义频率响应函数被用于非线性系统的识别。在时域方法中，系统参数通过在一定时间内采样的数据来确定；如果结构系统的特性在外部荷载作用下随时间改变，那么有必要确定由时域方法得出的系统动力特性在时间上的改变。进一步地，可以使用四种域中提出的任何动力响应，采用与模态无关或与模态相关的方法进行损伤检验。文献资料显示：模态无关的方法可以检测出损伤的存在而无需大量的计算，但在确定损坏位置时并不精确；另一方面，模态相关的方法比与模态无关的方法相比：通常在确定损伤位置上更加精确且只需更少的传感器，但该方法要求有恰当的结构模型和大量的计算。虽然时域方法使用传统的振动测量仪器得到的原始时域数据，这些方法要求某些结构信息和大量的计算，且具有个案特性。此外，频域方法和模态域方法使用转换的数据，但转换存在误差和噪音。而且，在空间域方法中，质量和刚度矩阵的建模与修正还存在问题且难以精确。将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的发展趋势。例如，几位研究者将静载测试和模型测试的数据结合起来评估损伤，这样可以克服各自方法的缺点并相互检查，与损伤检测的复杂性相适应。
2 联合静动力的健康监测方法
静力参数（位移与应变等）是根据静力荷载如在桥上缓慢移动的车辆引起的变形进行量测。在许多情况下，施加静力荷载比动力荷载更为经济，对于状况评估，许多应用只需要单元刚度。在这些情况下，静力测试和分析即简单又经济。通常的桥梁监测中都需要监测静态应变（和动态应变）、静力位移（和动挠度）以及相应的环境温度、湿度和风荷载。
既然自振频率、振型和结构系统的静力响应都是结构参数的函数，这些参数可通过比较数学模型预测的静动力特性和试验确定的静动力特性值得到。损伤发展的结果之一是局部刚度的减小，从而导致一些响应的改变；因此，对损伤检测和评估，综合结构静动力特性的监测是非常必要的。根据这一思想，结合静态应变、静态位移与动力响应（即振型或模态柔度等）来确定损伤位置和识别损伤程度，几种算法综合起来用于改进参数识别的灵敏度和提高解答过程的可靠度，静力和动力响应被用来校准识别的置信度水平。
联合静动力的损伤识别通常需要进行有限元模型修正，因为有限元模型的误差可能比损伤的变化要大，所以有限元模型必须先用测得的模态特性和试验数据进行校准；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模态修正的结果才是可靠的。其他的方法包括统计损伤识别、神经网络识别方法、子结构损伤识别、基于小波变换的损伤识别等等，但是目前大多只停留在实验室简单模型或数值模型，用于真正实桥的损伤识别和健康诊断还有很长的路要走。
