公路橋梁健康監測與安全預警研究簡述

李思陽

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

橋梁在建造和使用過程中，由于受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分產生不同程度的損傷和劣化。近年來，陸續地出現了一些重大橋梁事故。這些事故與很多因素有關，其中缺乏行之有效的監測措施和必要的維修、養護措施是重要原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現代橋梁的質量和壽命也逐漸關注起來。隨著現代傳感技術、計算機網絡與通訊技術、信號采集與分析技術領域的飛速發展，對橋梁結構安全預警系統的研究在近些年來已經成為國內外工程界和學術界關注的熱點[1]。

1 公路橋梁健康監測研究

1.1 橋梁健康監測系統研究現狀

橋梁健康監測的基本內涵即是通過對橋梁結構狀況的監控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常嚴重時發出預警信號，為橋梁的養護維修和管理決策提供依據與指導[2]。橋梁健康監測系統是一個多學科、多組成、多功能的系統，以橋梁檢測/監測為基礎，輔以信號處理、結構分析、損傷識別、可靠性評估等多種手段，對結構進行健康與安全評估，達到安全預警的目標。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機[3]。

近二十年來，對于橋梁結構健康監測理論的研究主要集中在結構的整體性評估和損傷識別上。盡管在一些簡單的結構上，一些整體性評估技術已經取得了成功，但這并不能令研究人員放心地將該技術應用于大型復雜結構。原因主要幾點：

(1)結構與環境中的隨機性和非結構因素的干擾。

(2)監測信息不完備。

(3)測試方式的單一性。

(4)測量精度難以保證且測量信號易受到外界干擾。

(5)橋梁結構超靜定次數高且測量信號對結構損傷敏感度低。

1.2 橋梁健康監測系統數據庫

橋梁健康監測系統的數據庫也稱為橋梁信息管理系統，其主要的作用和功能簡言之就是記錄橋梁信息并便于橋梁做日常檢查、養護、管理。系統包含橋梁基本數據庫管理功能，橋梁損傷評價系統以及橋梁維修管理計劃優化系統。3個系統相輔相成，且各自獨立使用，系統使用者根據不同對象的檢測需要可從任意系統開始執行程序。

數據庫系統包含橋梁基本信息系統(設計、施工、環境、地理位置等)，橋梁檢查記錄系統和維修加固記錄系統。

(1)橋梁基本信息系統：該系統儲存了海量的橋梁基本信息數據用于對橋梁做日常管理。通過該系統可以檢索和瀏覽橋梁的基本數據。這些存儲在系統的海量數據可以為損傷、檢查、維修、加固評價以及制訂維修管理計劃提供支持。

(2)檢查記錄系統：該系統把各種檢測得到數據(應力、應變、位移、環境變化)制作成圖片、圖表等形式，按時間順序記錄存檔這些信息，實時監測橋梁的是否收到損傷。

(3)維修、加固記錄系統：當橋梁曾經受過維修、加固時，該系統會記錄該類數據并制作成文檔。系統收集的數據包括以各類形式記錄的工程內容，可以作為今后如何經濟有效維修加固橋梁的可靠依據。

2 公路橋梁安全預警研究

2.1 公路橋梁安全預警監測內容與體系研究

鑒于目前公路橋梁管養任務繁重，傳統的人工養護顯然已經難以適應當前的形勢。橋梁工程師們也一直在探討并研究“自動化”的橋梁檢測評定與養護決策體系。主要針對大型橋梁的“健康監測系統”已經有一定研究成果，但存在難以適用于中小跨徑橋梁、系統建設費用高、維護困難等問題。在此，在傳統的橋梁檢查技術的基礎上，研究適合公路上數量占據絕對優勢的中小跨徑橋梁的“安全預警監測內容與評判體系”。

對于常規跨徑的公路橋，橋梁安全預警監測系統應該結合具體的橋梁特點，優化監測內容與測點布置，歸納起來通常對以下幾個方面進行監測。

(1) 橋梁結構動態響應：如對結構動態應力、動態位移、振動加速度等。

(2) 橋梁結構的長期準靜態幾何變位：如墩臺變形或基礎沉降等。

(3) 橋梁環境參數：如測量地脈動、風向、風速和溫度等。

(4) 通行橋梁的荷載參數：如車輛軸重。

(5) 橋梁特定構件：如吊桿力、支座反力或位移、裂縫擴展等。

2.2 公路橋梁安全預警監測評估體系

在公路橋梁安全預警監測評估系統中，需要在監測數據和檢測數據的基礎上，結合橋梁既有的信息如數據庫、專家知識庫、橋梁運營現狀條件等，依靠盡可能少的監測數據構建相應的評估指標并與橋梁相應的評估閾值體系進行對比分析，能夠對橋梁的運營安全性等做出準確的評估。安全預警監測評估體系主要涉及評價指標的構建、評價方法、評價指標閾值3個主要內容。當監測中的數據超出相應閾值時，應及時啟動橋梁安全預警。

橋梁運營安全性評估層次橋梁運營安全性評估分監測與檢測數據的直接評估、監測與檢測數據隨時間的變化量評估兩個層次。直接評估是將某一時段實測結果數據，將其與理論計算值或相應的規范限值等進行對比分析，判斷橋梁結構承載能力、行車適用性及耐久性等。隨時間的變化量評估，是將多次監測與檢測的結果同初始值對比，分析其變化量是否超越對應的均方差限值等，并用以判斷橋梁結構承載能力、行車適用性的劣化情況。中小跨徑橋梁綜合評定流程圖如圖1所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評定流程

2.3 公路橋梁安全預警監測方法與理論

采用高靈敏度傳感器等測記橋跨結構的微幅振動響應信號，再實施信號處理分析出結構的模態參數，以隨機環境荷載為激振的動力測試方法也稱為脈動法。外加荷載激振方法主要有：強迫正弦激振法、沖擊激振、行車荷載激振等。而在實際的橋梁動荷載試驗中，通常以載重車輛以一定的速度通行橋面，在指定位置跳車、剎車激振，測試橋梁結構的各類動力時程響應，并可以從車輛激振的余振信號中提取結構的模態參數和結構的阻尼比。動力測試系統原理如圖2所示。

圖2 動力測試系統原理

在橋梁結構的安全預警監測系統與養護輔助決策系統性能評定中，同樣需要對橋梁實施激振，而考慮到現場的條件并減少人工作業等。因此，監測中的激振主要是考慮橋梁自然使用狀態下的環境荷載以及橋上通行荷載為激振源，更適合數量龐大的橋梁“自動化”管養。

2.4 公路橋梁安全預警測點優化布置

在實際梁的動力測點布置中，根據上述理論分析結果，并結合實際橋梁的情況，在橋梁的縱向，具體的測試截面布置方法如下。

(1)簡支梁：可按照4分跨的間距布置測點，測點并包含支座處的測點?？缍认鄬^大或精度要求較高簡支梁可按6分跨布置。

(2)連續梁： 2跨連續梁可參照簡支梁2跨同時布置。3跨及以上時，較大跨徑的主跨可按照8分跨的間距布置測點，邊跨按8分跨的間距布置測點，測點并包含各墩頂處的測點?？缍认鄬^小或精度要求并較高連續梁主跨可按4分跨或6分跨布置。

(3)拱橋：自振特性測點可根據跨度的大小，可按照8分跨的間距布置測點，測點并包含拱腳處的測點?？缍认鄬^大或精度要求較高簡支梁可按16分跨布置。

對于每個截面，測點布置中，自振測點應考慮豎向與橫向各一個測點；其他動態測點應不少于3個，以保證測點的可對比性。

3 結論

橋梁數量越來越龐大，隨著時間的推移橋梁病害越來越顯著，威脅公路交通安全，傳統的養護維修工作已經難以適應目前的形勢。在既有“橋梁健康監測系統”的基礎上，結合傳統的橋梁檢測技術，提出適合公路上數量占據絕對優勢的中小跨徑橋梁的“安全預警監測內容與評判體系”。在該系統中，以“自動化”的橋梁監測為主，輔以人工檢測，并基于有關技術實現橋梁檢測、評估及輔助決策信息化管理。在基于現場動態測試的橋梁結構運營安全性評估中，提出以動測參數直接評定、參數變化量評定以及綜合評定的方法，再結合人工檢測評定結果，實現橋梁性能準確評定。