冻土区桥梁桩基健康监测预警系统研究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：从20世纪末，结构控制研究热点转向结构健康监测系统。十多年来，桥梁桩基监测逐渐受到关注并得到很大的发展。国外自80年代中期开始建立桥梁桩基监测系统。目前，我国的桥梁桩基监测水平与世界先进水平尚存在一定的差距。从90年代起，我国开始将各种桥梁桩基监测系统应用在一些大型重要桥梁上，用来对桥梁运营阶段信息进行实时监测。常规方法精度高、可靠性高，但效率低、工作量大，不利于桥梁的长期健康监测。

桥梁结构健康监测系统，是一个以桥梁结构为对象，以自动化实时监测为特征，集现代传感、通信网络和计算机技术为一体的综合监测系统，它通过监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，诊断结构损伤、评估结构安全性，能有效地提供桥梁养护管理的科学依据，显著提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大限度地确保桥梁安全运营、预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。从20世纪末，结构控制研究热点转向结构健康监测系统。十多年来，桥梁桩基监测逐渐受到关注并得到很大的发展。许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了尝试。基于对桥梁结构健康监测系统重要性的认识，并受到以往桥梁结构健康监测系统成功经验的启发，国内外许多正在建设或准备建设的重要的桥梁，在建设初期就已经考虑安装桥梁结构健康监测系统。国外自80年代中期开始建立桥梁桩基监测系统。逐渐从传统的人工桥梁监测、结构损伤评估技术，发展到了融合环境监测、桥梁工程、传感技术、数据通信技术等多学科综合交叉的技术。目前很多重要的大型桥梁都建立了桥梁桩基监测系统，服务于桥梁工程设计、修建施工、运营养护等环节。

国内的桥梁桩基监测工作与国外相比落后较多，但是由于桥梁桩基监测的重要性和多次桥梁垮塌的事故，使得此项工作的重要性被国内桥梁设计人员、桥梁建设人员和运营管理人员所认识。目前，我国的桥梁桩基监测水平与世界先进水平尚存在一定的差距。随着桥梁工程人员对桥梁结构安全性和耐久性的日益重视，使得桥梁监测系统研究迅速发展，国内的新建和在建桥梁都进行了桥梁监测系统设计工作。90年代我国的桥梁才开始设计开发桥梁桩基监测系统。例如：广东公路研究所开发了广东省桥梁管理系统，四川公路研究所开发了四川省桥梁管理系统，交通部公路研究所和北京市公路管理局开发了北京市桥梁管理系统等。这些系统在吸收了国外经验的基础上，结合我国的国情，对国内的桥梁桩基监测进行了很好的铺垫。上述系统实现了对各种桥梁的设计、施工、桥梁所跨越河流及运营养护数据的录入、查询和修改功能，并进一步把各种数据应用于统计、计算和决策系统。交通部公路科研所研发的省市级公路桥梁管理系统（CBMS），具有桥梁静动态数据库，评估决策数据库，该评估系统包括可进行图形图像处理、模糊数学，AHP综合评估和费用分析等105个功能［55］。从90年代起，我国开始将各种桥梁桩基监测系统应用在一些大型重要桥梁上，用来对桥梁运营阶段信息进行实时监测。例如香港青马大桥在1998年安装的“风和结构健康监测系统”（WASHMS），该系统是目前世界上规模最大的桥梁桩基监测系统之一。主要包括传感器子系统、数据采集传输子系统、数据存储管理子系统，结构损伤评估子系统等。该系统一共安装了774个各类传感器，包括GPS、温度计、动态地磅、位移计、风速风向仪、加速度计、地震仪、应变计等。国内第一座在设计阶段就考虑健康监测系统的项目是广东湛江海湾大桥的健康监测系统，该项目由设计单位和科研单位共同合作完成。此系统从静力和动力两方面对桥梁进行结构监测，实现了数据采集传输、数据分析处理、自动诊断评估结构异常行为等功能［56］。江苏苏通大桥安装了16类传感器，系统包括GPS全球定位系统、超声波风速仪、车速车轴仪、加速度传感器等。上部结构安装的传感器个数达到788个，由基础监测传感器系统和动力传感器系统组成。动力传感器由16只高精度加速度传感器构成［57］。自从20世纪50年代开始，随着西方发达国家的重心由桥梁建设转向桥梁养护，桥梁结构的自然老化和损伤积累使得桥梁病害日益严重［58］，人们就已经意识到了桥梁安全监测的重要性。国外研究大多集中于中小桥的管理、维修等方面。世界上第一个桥梁管理系统是由美国联邦公路局在1988年开发的“国家桥梁档案数据库”系统，此系统已经能进行初步的辅助决策。该系统经过几十年的发展已经具有记录、存储、更新以及统计功能，同时还能评估交通公路网络上的桥梁，为桥梁的维修和重建计划提供辅助决策［59］。

在传感器发展方面，欧洲Smartec公司应用长标距光纤应变传感器实现了长期监测桥梁关键部位应变历程曲线，进而判断结构的安全耐久性［60］。瑞士的SamuelVurpillot等人在1996年年用光纤传感器对Versoix桥进行实时监测，系统由传感器和处理分析两个部分组成。瑞典于1996年将光纤传感器成功应用于Winterther的StorchenBrucke斜拉桥，解决了斜拉桥索力实时长期监测的问题。美国新墨西哥LasCrucesl0号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装了120个光纤光栅温度传感器，创造了单座桥梁上使用此类传感器的纪录［61］。桥梁变形监测方法主要有两大类：一是常规的测量方法（即伏地测量方法与摄影测量方法），二是物理学传感器方法。常规方法精度高、可靠性高，但效率低、工作量大，不利于桥梁的长期健康监测。而传感器构成的视频成像系统，有精度高、方便、实时的优点，并且适合长期的健康监控，结合应用软件构成完整的监测系统。挠度的测量其实就是一种位移测量，它是主梁上某截面的形心在垂直于桥梁纵向轴的方向发生的纵向位移的大桥梁的挠度变化，更是直接反映了桥梁的竖向刚度，是桥梁使用功能和安全性能的主要指标。从实测的挠度数据中可以从一个侧面反应桥梁的健康状态及桥梁的薄弱位置所在。国内外桥梁的挠度和位移的监测方法很多，总结起来有：全人工读数方法。经纬仪法、利用百分表测量挠度、利用倾角仪测量桥梁的挠度；自动测量方法。通过测量桥梁的倾角来计算桥梁的挠度、光电成像和摄像法、光电分光成像和激光测量法、利用连通管测量挠度、利用GPS进行桥梁挠度测量等。挠度监测系统是激光投射式挠度监测系统，属于光电分光成像和激光测量法。它具有测量精度高、稳定性好、能够实现实时自动测量及能完成远距离的数据传输任务等优点，另外具有一定的数据处理能力和自检、自校、自补偿能力，非常适合桥梁的长期健康监测。以光纤传感器为主的分布式（Distributed）监测方法是近年来国内外专家、学者在结构裂缝和损伤监测方面取得的重要成果之一。刘浩吾等［62］提出了基于光纤的裂缝传感网络确定裂缝宽度、位置和方向等，均能在一定程度上实现裂缝部分信息的监测，同时还具备信息传输容量大、传输速度快、灵敏度较高等特点。

裂缝问题是混凝土桥梁桩基监测中最重要的内容之一。国内外对桥梁裂缝的监测方法已有不少研究，其中最早出现且被广泛使用的是点监测方法。但是由于实际桥梁的材料（混凝土）非均称性及不可避免的误差，理论的预测关键点不一定出现在混凝土的裂缝发生位置，这也是点监测方法的局限性所在。因此，我们需要一个解决这类问题的新方法。与此同时，利用分布式（Distributed）的传感器进行监测的方法开始得到关注，分布式光纤传感器可实现主梁挠度的长距离监测［63］。裂缝机敏网仿生裂缝监测，其基本原理是采用特殊金属线模拟动物皮肤神经网络感受表皮损伤机理，制成特定的金属网络结构机敏网，覆盖于需要监测的混凝土桥梁表面，若桥梁出现裂缝，机敏网能够马上捕捉到相应信息，从而实现对桥梁裂缝的及时监测。对于桥梁的长期应变监测，要求应变传感器的本身稳定性好、易于保护，且具有测量分辨率高、测量范围宽、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点。根据测试原理可将应变传感器分为有电阻式、振弦式、光纤式等，普通的电阻式传感器缺点是有较大的非线性，输出信号较弱，时漂、温漂较大，长期测量可能就无法取得真实有效的数据，因此不便用于长期监测。振弦式传感器由于其直接输出振弦频率，使其具有抗干扰能力强、零点飘移小、温度影响小、性能稳定可靠、寿命长等诸多优点，其中最为突出的性能是不受接连长度的长短影响，是桥梁长期健康监测的首选传感器［64］。其他传感器，如光纤式等，虽然有精度高、体积小、重量轻、耐腐蚀、耐高温等优点，但其价格高昂，经济性能不高。

近年来，国内外的许多新建和既有桥梁都安装了桥梁结构健康监测系统。例如韩国建成的Seohae桥和Youngjong桥都安装了结构健康监测系统，其中Seohae桥安装了各种类型传感器120个，Youngjong桥安装了各种类型传感器380个。监测内容包括结构的静动态性能和环境荷载［65］。日本的明石海峡大桥安装了包括位移计、地震仪、速度计、加速度计、风速计、GPS全球卫星定位系统、温度计等传感器监测系统，以此来确定地震等灾害影响下的变形特征［66］。已经安装健康监测系统的部分桥梁都取得了较好的效果，香港青马大桥安装的GPS位移监测系统就成功地实现了大桥的三维空间位置的实时监测，结合风速仪和温度仪，系统对警戒风进行成功预报并及时封闭桥梁，合理地进行交通管理，保证了当地居民的生命与财产的安全。并且，该系统在大风过后，利用系统拾取到的加速度传感器信息进行模态分析，对风产生的小病害及时处理，实现了实时或者准实时的损伤监测，及时发现桥梁的损伤与质量退化，对青马大桥在使用过程中出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然。并且对监测出来的损伤进行原因分析，提出维修建议。

上海东海大桥布置了拾振器、索力传感器、GPS位移传感器、静力水准传感器、光纤传感器、环境气象传感器等监测设备，并结合人工监测数据，分析评估桥梁安全性，指导大桥养护。在土坎乌江大桥和马桑溪长江大桥的裂缝长期监测中，机敏网裂缝传感器能够准确监测到裂缝的出现，并传输至远程监控中心，通过远程监控中心的裂缝再现软件将裂缝再现出来，根据裂缝的大小进行评估。同时与人工定期监测的数据相对比，在误差允许范围内，两者的结果一致。因此，机敏网裂缝远程监测系统具有良好的稳定性、耐久性和准确性。自1995年起，美国的Kishwaukee桥的健康监测系统一直在发挥着积极的作用，系统中的LVTD裂纹监测仪成功地对桥梁的裂纹扩展情况进行实时监测，并结合系统中的位移、应力监测，对超限车辆通行后该桥产生的危害进行了预警报告，经验证后及时修复桥梁，避免了病害的进一步恶化，节省了后期的维修费用，保证了桥梁的安全运营。加拿大在BeddingTrail大桥上布置了布拉格光栅传感器，用以监测桥梁内部的应变状态。加拿大的Confederation连续钢构桥上安装的综合监测系统对桥梁在冰荷载作用下的性能、结构短期和长期变形、温度应力、车辆荷载以及风和地震引起的动力响应等进行了成功地监测。

冻土区桥梁桩基健康监测预警系统研究

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