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橋梁健康監測技術介紹
更新時(shí)間:2021-04-10 17:51
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  橋梁(liáng)結構在長期使用的過程中(zhōng),不可避免的會出現結構構件老化,並且還可能遭受各(gè)種自然或人為災(zāi)害的破壞,造成結構承載力降(jiàng)低,甚至失效;而(ér)且,對於(yú)大型橋(qiáo)梁而言,由於其使(shǐ)用功能的重要性,從它建成開始就應該對其是否能正常工作進行相關監測。目前國內外許多橋梁都(dōu)存在不同程度的安全隱患。在(zài)國內,由於質量(liàng)控製滯後於橋梁(liáng)的建設速度,致使橋梁倒塌事故(gù)逐年(nián)增加。因而,橋梁(liáng)結構的安(ān)全狀況一直是政府有關(guān)部門和公眾特(tè)別關心的熱點問題(tí)。
  如果能在災難來臨之前進行預測,對橋(qiáo)梁的疲勞損傷(shāng)進行監測,從而(ér)對橋梁的健康狀(zhuàng)況(kuàng)給出評估,那就會大大減少這些慘劇的發生(shēng)。橋梁健康監測及診斷技術的研究與應用正是在此基礎上應運而生的。
  1、舊式監測技術的缺點
  
目前國內對橋梁檢測都是在(zài)設計、施工完成交付使用前,或者發現橋梁結構出現特殊情況(如結構開裂、變形過大、重載或超重車輛反複過橋(qiáo)、環境惡(è)劣影響等)的(de)時候,方對橋梁進行檢(jiǎn)測評估,采用的方法一般以人工方法為主,即在梁體(tǐ)的(de)受力及變形關(guān)鍵部位上(shàng),外貼應變片或安裝變形儀(yí)。通過實測特征值與理論計算結果對比,確定橋梁強度和(hé)剛度安全儲備係(xì)數,並(bìng)評估橋梁現有的承載能(néng)力(lì)。這種方法局限性較大,不僅需(xū)要專門訓練的有資格(gé)能力的工程師,而且所取得的檢測結果仍然不能滿(mǎn)足橋梁所有的安全需要,而且還浪費了大量的人力和物力。
  橋梁在使用過程(chéng)中,荷載的變(biàn)化、環境等因素隨機性非常大,而且(qiě)也非常複雜,所以最不(bú)利荷載的影(yǐng)響,並不(bú)一定與人工檢測的定位定點相吻合;由於施工質量、安裝等因(yīn)素的影響(xiǎng),與原始設計參數勢必(bì)存在著一定的誤差;另外橋梁在運營過程中超載、震動、溫度等因素的影(yǐng)響及橋梁自身的變形,從而在使用過程中最不利荷載對橋梁產生的效應,采用人工定時檢測手段是無法測出的(de),也不能用簡單幾組檢測數據建(jiàn)立一個由最不利荷載引起橋梁出現極大值的數學模型(xíng),分析橋梁設計、施工的整體質量和橋梁運營中的承載能(néng)力,這種橋梁狀態評估方法顯然具有相當程度的(de)簡(jiǎn)單化。
  2、應用(yòng)情況
  
隨著光纖技術、無線傳輸技術的日漸成熟,橋梁健康監測技術已經從研發階段(duàn)走向應用階(jiē)段。目前,國內一些大(dà)中(zhōng)城市(shì)如香港、上海、杭州、南京、武漢、重慶等在一些跨江(河/海)大橋上使用了(le)橋梁健康監測係統(見表2),對保證人民群(qún)眾生命和財產安全起到了重要的作用。
表2  應用橋梁健康監測技術的部分橋梁統計表

橋梁名稱

結構類型

跨度(dù)(m)

橋梁名稱

結構類型

跨(kuà)度(m)

香港昂船洲橋

斜拉橋

1018

重慶菜園壩大橋

鋼箱係杆(gǎn)拱

102+420+88

香港西部通道

斜拉橋

210

錢江四(sì)橋

鋼管拱橋

 

香港(gǎng)汀九橋

斜拉橋

127+448+475+127

盧浦橋

全鋼拱橋

550

香港汲水門橋

斜拉(lā)橋

160+430+160

南寧橋(qiáo)

蝴蝶拱橋

300

香港青馬橋

懸索橋

455+1375+300

石板坡橋

連續剛構

330

南京二橋

斜拉橋

628

江陰(yīn)橋

懸索橋

1388

徐浦大橋

斜拉(lā)橋

590

虎門橋

懸索(suǒ)橋

888

大(dà)佛寺橋(qiáo)

斜拉橋

198+450+198

陽邏橋(qiáo)

懸索橋

1280

南京(jīng)三橋

斜拉橋

257+648+257

潤(rùn)揚橋

斜拉橋/懸(xuán)索橋

406/1490

杭州灣跨(kuà)海橋

斜拉橋

448

清河橋

斜拉橋

108+66+36

蕪湖橋

斜拉(lā)橋

180+312+180

 

 

 


  3、主要功能
  
橋梁監測係統是一個複雜的、龐大的、綜合的技術性係統,它包括橋梁關鍵部位的關鍵參量測量、測試(shì)數據的現場(chǎng)采集、指令與數據的遠程傳輸(shū)、數據儲存與處(chù)理、結構安(ān)全狀態的評(píng)價(jià)與預警等。通過其在橋(qiáo)梁運營中所獲得的(de)結構及(jí)環境信息,不僅為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導,還為(wéi)橋梁的理論研究(jiū)與試驗、提供最真實的信息,獲得的橋梁結構全麵的靜、動力特性,加深對橋梁在各種交通條件和自然環境下(xià)的真實(shí)行(háng)為的研究。橋梁監(jiān)測技術的發展,不僅對橋梁建設、管理具有現實(shí)意義,更將可能對橋梁研究與設計(jì)、特別是將來實現橋梁“虛擬(nǐ)設計(jì)”具有重要的(de)意義。
  從目前(qián)已建立的(de)監測係(xì)統的係統構成、監測方法以及實現的功能來看,這些橋(qiáo)梁監測係統具有以下一些共同特點:
  (1)橋梁監測係統由硬件係統與軟件係統組成,硬件係統一般由傳感器(qì)係統(tǒng)、數據采集及傳輸係統、數據分析與處理係統構成,軟件係(xì)統主要實(shí)現對結構狀態的識別和(hé)安全性評估(gū);
  (2)通過布設在橋梁上的傳感器獲取反映橋梁(liáng)結(jié)構行為的記錄(lù),並且重視對橋梁環境條件如溫度、風、交通荷載等的監(jiān)測;
  (3)由於測試技術和通訊技術的(de)發展,使得監測係(xì)統采集的信息更加準確與完備,並且可以實現係統的大容量和網絡化共(gòng)享。
  4、技(jì)術特點
  
橋(qiáo)梁健(jiàn)康監測是對橋梁安全情況進行實時監測的新(xīn)技術,這種(zhǒng)技術通過對(duì)橋梁結構進行無損檢測,實時監控結構的(de)整體行為,對結構(gòu)的損傷位置和程度(dù)進行診斷,對橋梁的服役情況、可靠(kào)性、耐(nài)久(jiǔ)性和承載(zǎi)能力進(jìn)行(háng)智能評估,為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信(xìn)號,為橋梁的維修、養護與管理決策提供依據和指導(dǎo)。
  一般大型橋梁健康(kāng)監測係統對以(yǐ)下幾方麵進(jìn)行監控:
  (1)橋梁結構在正(zhèng)常車輛荷載及風載作用下的結構響(xiǎng)應和(hé)力學狀(zhuàng)態。
  (2)橋梁結構在突發事件(如地震(zhèn)、意外大風或其它嚴(yán)重事故等)之後的損傷情況。
  (3)橋梁結(jié)構構件的耐久性,主要是提供構件疲勞狀(zhuàng)況的真實情況。
  (4)橋梁重要非結構(gòu)構件(如支(zhī)座)和附屬(shǔ)設施(如斜拉橋振動控製裝置)的工作狀態。
  (5)大橋所處的環境條件,如風速、溫度、地(dì)麵運動等。
  5、係統結構
  橋梁健康監測係統一般由數據采集係統、數據(jù)傳(chuán)輸係統、數據處理係統、報警係統、數據共享係統等(děng)幾部分組(zǔ)成,參見圖1。
 

圖1  橋梁健康監測係統的(de)結構示意圖
  數據采集、傳輸、分析都是實(shí)時(shí)進行的,分析係統一旦監測(cè)到參數超過閾值時,將根據參數類型進行報(bào)警,可以預防(fáng)災難的發生。
  6、國內技術現狀
  
根據調研,重慶理工大學胡順仁教授(shòu)領導的科研攻關團隊,在“橋梁(liáng)結構健康監測係統研究”領域(yù)進(jìn)行了大量的開(kāi)創性研(yán)究工作,先後完成了重慶(qìng)渝長高速公路紅槽房公路橋、重慶大佛寺長江大橋、重慶向家坡立交橋、重慶馬桑溪(xī)長(zhǎng)江大橋等不同類型(xíng)的多座特大橋的結(jié)構健(jiàn)康監測係統研究,建成了國內首座“橋梁安全遠程集群監測係統”,在(zài)大型結構健康監測研究領域奠定了堅實的理論與技術基礎。
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