2010年一級建造師公路工程輔導：淺談橋梁結構健康監測

1 橋梁結構健康監測的概念
    交通是社會的經濟命脈，橋梁是交通的咽喉，交通不暢會制約社會的經濟發展，所以保障橋梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至關重要。為保證橋梁安全運行、避免嚴重事故發生，對橋梁結構進行健康監測應運而生，橋梁結構健康監測是以科學的監測理論與方法為基礎，采用各種適宜的檢驗、檢測手段獲取數據，為橋梁結構設計方法、計算假定、結構模型分析提供驗證；對結構的主要性能指標和特性進行分析，及早預見、發現和處理橋梁結構安全隱患和耐久性缺陷，診斷結構突發和累計損傷發生位置與程度，并對發生后果的可能性進行判斷與預測。通過對橋梁結構健康狀態的監測與評估，為橋梁在各種氣候、交通條件下和橋梁運營狀況異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理措施提供依據，并通過及時采取措施達到防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長橋梁的使用壽命的目的。
    2 橋梁結構健康監測系統
    2.1 檢測內容
    數據采集與測量的內容主要為：變形（沉降、位移、傾斜）、應力、動力特性、溫度、外觀檢測等。 
    2.1.1變形監測采取適宜的測量手段，對橋梁主體結構關鍵部位的沉降、位移、傾斜量進行監測。常用監測變形的方法有：導線測量法、幾何水準測量法、GPS測定三維位移量法、自動極坐標實時差分測量法和自動全站儀三維坐標非接觸量測等。
    2.1.2應力監測 
    橋梁運營狀態中主體結構的應力變化是由于主體結構的外部條件和內部狀態變化引起的。外部條件主要有動荷載、氣候、侵蝕、撞擊和其他突發事件的作用等，而內部狀態有混凝土的收縮徐變、溫度變化及預應力損失等。應力監測數據可以定量性地反映出橋梁主體結構的內應力變化和性能變化情況。
    2.1.3 動力特性監測 
    橋梁結構的動力特性與橋梁結構的剛度、質量、阻尼值及其分布有關，動力監測是在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的條件下進行，主要對橋梁結構由橋址處風荷載、水流等隨機荷載激振引起的微小振動響應進行測定。檢測項目主要為：主體結構的自振頻率、振型等。橋梁結構動力檢測方法主要有：固有頻率、應變模態、模態置信度判據、柔度矩陣、小波分析、遺傳算法等。
    2.1.4溫度監測
    通過對整橋溫度場的監測，可以設法消除溫度變化對某些監測過程或傳感器本身的測量精度的影響；可以了解橋梁結構在某種溫度場下的結構變形、內力變化等情況。
    2.1.5 表觀檢測
    表觀檢測的主要內容為：橋梁混凝土裂縫、強度、碳化深度、外觀質量檢測、鋼梁及金屬結構外觀及腐蝕檢測及支座、橋面鋪裝、伸縮縫、錨端連接等部位、部件的損壞情況觀察等。
    2.1.6 其他監測項目
    2.1.6.1　新方法、新儀器、新設備、新理論應用監測；
    2.1.6.2 規范等改變導致橋梁使用等級改變的結構監測；
    2.1.6.3 為獲取監測數據而設置的傳感元器件和配備的儀表、設備、裝置的校準性監測等； 
    2.2 數據傳輸
    穩定可靠的數據采集和傳輸對于保證監測系統的長期運行有著重要意義，同時是獲取有效、可靠的監測數據的前提，要注重并做好以下幾項關鍵性工作：
    2.2.1 數據采傳輸的同步是橋梁結構監測系統的關鍵性技術問題，是數據處理、分析和橋梁健康評估的基本前提條件。做到撓度、振動等子系統各點采集的時間同步性尤為重要。
    2.2.2 關于數據采集節點設備和傳輸鏈路的合理配置與優化。影響數據采集節點設備和傳輸鏈路可靠性的因素相當復雜，必須研究設計重點考慮系統合理的配置和優化。
    2.2.3　關于系統數據采集過程中單點故障問題。系統需要具有單點故障不影響控制網絡其他部分的功能。 
    2.2.4 關于檢測系統自身故障的自檢與報警。系統能夠識別和檢查出傳感器故障、電流回路泄漏、對不可信信號電平的捕獲和子系統故障等，并能在系統主機上給出相應的報警信息。
    2.2.5 關于數據可靠性檢驗的問題。系統具有能夠對所監測數據進行自檢、互檢和標定的功能，是保障原始數據可靠性的重要手段。
    2.2.6 關于實現遠程監控的問題。通過因特網技術可以使橋梁管理者或橋梁專家在異地對系統實現遠程監控和數據分析，是橋梁結構健康監測系統的新需求。
    2.3 數據分析處理和控制
    數據分析處理與控制是指對獲得的數據信息進行收集、整理、加工、存貯及傳播等一系列活動的總和。它的基本環節是進行數據的組織、存貯、檢查和維護等工作。這些工作是數據處理的中心問題，一般稱之為數據管理。二十世紀六、七十年代以來，數據管理技術提高到了數據庫階段，計算機中的數據及數據的管理統一的由數據庫系統來完成。數據庫系統的目標是：解決數據冗余問題；實現數據獨立性；實現數據共享；并解決由于數據共享而帶來的數據完整性、安全性及并發控制等一系列問題。
    3 橋梁結構健康監測的現狀與發展方向
    橋梁結構健康監測系統對橋梁結構評估主要有三個方面：承載能力、營運狀態和耐久能力。承載能力是有關大橋結構或構件的極限強度、穩定性能等，其評估目的是要找出大橋結構的實際安全儲備，以避免橋梁發生災難性的損毀。營運狀態評估與橋梁結構或其構件在日常荷載工作下的變形、裂縫、振動等有關，其評估結果有助于合理安排養護維修。耐久能力的評估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對材料物理特性的影響。
    目前的橋梁結構監測系統中存在著監測項目種類不足和個別項目的規模又過于龐大的情況。在監測數據的管理方面，沒有一個較為完善的數據存儲與管理系統，大量的監測數據得不到妥善的處理與利用。并且，現有的橋梁結構監測和狀態評估系統大多屬于單一的監測系統或者是單一的管理系統。
    橋梁結構健康監測綜合評估系統在橋梁設計階段予以提前考慮并做出橋梁結構健康監測設計有著十分重要的積極意義：設計人員可依據橋型設計理論和結構特點、四新技術的應用等方面采用適宜的監測理論、方法與手段，做出符合橋梁特點和系統的監測設計。橋梁結構健康監測設計與橋梁設計同時形成可及時、妥善地將相關監測軟、硬件在施工、運營過程予以配備與設置，使得監測系統的準備與運行工作做的更加充分與科學。
    我國的橋梁結構健康監測尚處初期階段，隨著橋梁結構健康監測工作的深入開展，在遠距離監測、提高系統可靠性、完善數據處理和分析理論等方面還需要提高和完善，目前尚無現成的性能和數據評估方面的規范，因此探索并形成穩定、可靠的監測系統、明確各項參數指標、科學獲取與處理監測數據、形成監測規范等工作是橋梁結構健康監測今后的發展與努力方向。