浅谈桥梁传统检测方法的应用及健康监测系统的发展
2015-06-30
1 桥梁监测的必要性
尽管桥梁建设的水平和质量都在不断提高，但是，建成通车后，随着时间的推移，各种因素的影响下桥梁安全度还是有所降低，影响桥梁的运作和车辆营运的安全。尤其是重大工程结构，诸如跨江跨海的超大跨桥梁，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的偶合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。［1］
2 传统的检测方法
2.1 无损检测
无损检测是指在不影响结构或构件性能的前提下，通过测定对应的物理量来判断结构或者构件相应的性能的检测方法。在桥梁工程中主要应用于：
（1）混凝土的强度、内部缺陷及其他性能检测 回弹法：采用回弹仪的弹簧驱动重锤，通过弹击杆弹击混凝土表面，待重锤被反弹，以反弹回来的距离作为强度相关指标来推算混凝土强度的一种方法。
超声法：超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的，进而判断缺陷的位置和大小。
（2）钢结构缺陷检测 射线探伤：利用射线穿透工件时，由于缺陷与工件材料对射线的衰减作用不同，从而使胶片感光不一样，于是底片上形成黑度不同的影像，据此来判断材料内部的缺陷情况。
金属磁记忆方法：在役设备的构件，由于其结构遗传性和运行中负载的关系，金属的磁记忆以累积方式表现出来。运行中构件载荷作用力的大小和方向会引起金属磁化在量值和方向上的变化。
2.2 半破损检测
半破损方法以不影响结构或者构件的承载能力为前提，在结构或构件上直接进行局部破坏性试验，或直接钻取芯样进行破坏性试验，然后根据试验获得的数据推算出强度标准值的推定值或特征强度。由于是以局部破坏性试验获得结构混凝土的实际抵抗破坏的能力，因此结果相对直观可靠。
2.3 桥梁静载、动载试验
桥梁静载试验需要测量的结构的应变、位移、反力、倾角和裂缝等。
桥梁动载试验中，需要检测、记录和分析结构动力特性以及载动力荷载下的应力、位移、速度、加速度等物理量。
3 桥梁监测系统的应用
传统检测技术有了比较长的发展时间，技术也日趋完善，然而，由于其本质的限制，首先，过于依赖人力；其次，每次检测都耗费巨大并且造成营运的中断，最后也是最重要的是，它不能及时地反映桥梁状态。于是，一种新的突破传统检测方法的监测系统应运而生――桥梁健康监测系统。
桥梁的健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析， 达到监测桥梁损伤或退化的目的，而且需要在超过规定值的时候发出警报，进而为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。
监测系统主要由以下几个部分组成：传感器、数据采集和处理设备、通讯系统、监控中心及报警设备。［2］按照张启伟在《桥梁健康监测中的损伤特征提取与异常诊断》认为，应按以下步骤进行结构健康诊断：（1）对来自正常状态（已知）与未知状态结构的响应数据进行等长度分段，分别形成由大量数据段构成的正常结构数据基和未知状态结构的待处理信号集；（2）通过对各数据段的信号处理生成特征空间，并将未知状态结构的待处理信号集与正常结构数据基进行条件归一化 ，形成具有相似的环境或运营条件的“待处理信号－参考数据对”（参考数据来自于正常结构数据基）。条件归一化即对未知状态结构待处理信号集中的每一个数据段，在正常结构数据基中寻找一个与其最“相似”的数据段；（3）对归一化后的待处理信号-参考数据对进行信号分析，构造并计算损伤特征参数；（4）对计算的众多损伤特征参数进行统计分析，进而进行结构异常诊断和损伤定位。它是一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。
4 桥梁监测的内容与方法
4.1 桥梁所处环境条件的监测
由于桥梁所处的环境不仅影响桥梁本身的变化，例如：温度影响下产生的应力和应变，风荷载下产生位移，不同气候下对桥梁产生的腐蚀等。而且特殊情况下还影响到桥梁的营运，甚至安全，例如台风和地震，另外，交通状态也是造成桥梁疲劳损伤的重要原因。因此，有必要对以下项目进行监测：（1）风荷载；（2）温度；（3）使用湿度计记录环境的湿度；（4）使用酸碱度传感器测量桥梁周围水体中的PH值；（5）在地震频繁地区需使用强震仪记录地震作用；（6）日交通流量的统计由设在收费车道的传感器、摄像机及其电脑系统自动进行。内容包括:测量各类型车辆的流量及通过时间，记录和观察大桥上交通挤塞情况，车辆分布模式，以推算适时的大桥交通荷载；
4.2 桥梁状况的监测
对桥梁状况的监测能让我们及时地发现桥梁已经出现和潜在的问题，进而可以采取各种措施避免问题扩大，尤其是阻止事故发生。对桥梁中某些部分对桥梁正常运行具有至关重要的作用，例如：对大跨度悬吊结构，如悬索桥、斜拉桥以及具有分离式拱肋的大跨度下承式或中承式钢管混凝土拱桥，它们都具有或长或短的拉索（缆索）或吊杆，而拉索是结构中主要的承重构件，与桥梁的整体性能有着密切的关系。因此这些部分是健康监测系统中重点监测的地方。
4.3 桥梁正常运作下整体性能的监测
桥梁整体性能的监测包括：（1）位移监测； （2）挠度监测；（3）结构静、动力的监测；（4）结构材质监测；（5）结构振动监测；（6）裂缝监测。
桥梁健康监测系统是一个长期的智能监测系统，是一个新兴的课题。其首要任务是尽可能准确地采集桥梁的各种信息，从而进行评估。也就是说反映桥梁实际状态的各种信息越完备，桥梁的健康状况评估就越有可能实现。而要想准确掌握桥梁的各种信息，传感器的选用便成为关键，传统的传感器由于其本质上的缺点，无法长期提供稳定的测试数据，不能满足健康监测系统的要求。随着近些年全球定位系统在测量技术中精度的提高已经开始了桥梁中的应用，还有一个是，光纤传感器出现以后，解决了传统传感器的问题，能够实现长期的过程监测，只是光纤传感器的产业化程度不高，其高昂的费用限制了这一技术的大量应用。而桥梁状态评估则是健康监测系统的最终目的，好比医生给病人检查后对病因的确定。这一部分是对获得的桥梁信息进行分析处理，然后做出评估。
