監測系統設計管理的論文

　　摘要：大型橋梁健康監測力求對結構整體行為的實(shí)時(shí)監控和對結構狀態(tài)的智能化評估。同時(shí)，對大跨度橋梁設計理論與力學(xué)模型的驗證以及對結構和結構環(huán)境中未知或不確定性問(wèn)題的調查與研究也正融入橋梁健康監測的內涵。本文首先簡(jiǎn)要地總結十多年來(lái)橋梁健康監測的研究狀況，然后較系統地闡述橋梁結構健康監測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監測系統設計的有關(guān)問(wèn)題，以期為監測系統的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：健康監測監測系統監測項目橋梁

　　20世紀橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現在預應力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結構實(shí)施智能控制和智能監測的設想與努力。近20年來(lái)橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開(kāi)發(fā)推動(dòng)了大距度橋梁的發(fā)展；同時(shí)，隨著(zhù)人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監測的研究與監測系統的開(kāi)發(fā)應運而生。由于橋梁監測數據可以為驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結構及其環(huán)境中的未知或不確定性問(wèn)題，因此，橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環(huán)境未知問(wèn)題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。本文結合近十年來(lái)橋梁健康監測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統地闡述橋梁健康監測的內涵，并由此探討監測系統設計的有關(guān)問(wèn)題。

　　一、橋梁健康監測系統與理論發(fā)展簡(jiǎn)況

　　1．監測系統

　　80年代中后期開(kāi)始建立各種規模的橋梁健康監測系統。例如，英國在總長(cháng)522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監測大橋運營(yíng)階段在車(chē)輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應變等響應，同時(shí)監測環(huán)境風(fēng)和結構溫度場(chǎng)。該系統是最早安裝的較為完整的監測系統之一，它實(shí)現了實(shí)時(shí)監測、實(shí)時(shí)分析和數據網(wǎng)絡(luò )共享。建立健康監測系統的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模的結構監測系統，如香港的青馬大橋、汲水門(mén)大橋和汀九大橋，內地的上海徐浦大橋以及江陰長(cháng)江大橋等[6~8]。

　　從已經(jīng)建立的監測系統的監測目標、功能以及系統運行等方面看，這些監測系統具有以下一些共同特點(diǎn)：

　�。�1）通常測量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行為的各種記錄；

　�。�2）除監測結構本身的狀態(tài)和行為以外，還強度對結構環(huán)境條件（如風(fēng)、車(chē)輛荷載等）的監測和記錄分析；同時(shí)，試圖通過(guò)橋梁在正常車(chē)輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應來(lái)建立結構的"指紋"，并藉此開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)的結構整體性與安全性評估技術(shù)；

　�。�3）在通車(chē)運營(yíng)后連續或間斷地監測結構狀態(tài)，力求獲取的大橋結構信息連續而完整。某些橋梁監測傳感器在橋梁施工階段即開(kāi)始工作并用于監控施工質(zhì)量；

　�。�4）監測系統具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現數據的網(wǎng)絡(luò )共享。

　　這些特點(diǎn)使得大跨度橋梁健康監測區別于傳統的橋梁檢測過(guò)程。另外需要指出的是，橋梁健康監測的對象已不再局限于結構本身：一些重要輔助設施的工作狀態(tài)也已納入長(cháng)期監測的范圍（如斜拉索振動(dòng)控制裝置[4]等）。

　　2．理論研究

　　十多年來(lái)，橋梁健康監測理論的研究主要集中于結構整體性評估和損傷識別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評估技術(shù)在航天、機械等領(lǐng)域的深入研究和運用，這類(lèi)技術(shù)被用于土木結構中除無(wú)損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動(dòng)測量值的整體性評估方法研究的另一個(gè)原因是，結構振動(dòng)信息可以在橋梁運營(yíng)過(guò)程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此這一方法具有實(shí)時(shí)監測的潛力。

　　結構整體性評估方法可以歸結為模式識別法、系統識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法三大類(lèi)【1】。結構模態(tài)參數常被用作結構的指紋特征，也是系統識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法的主要輸入信息。另外，基于結構應變模態(tài)、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡(jiǎn)單結構上有成功的例子，但還不能可靠地應用于復雜結構。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入實(shí)用的原因主要包括：①結構與環(huán)境中的不確定性和非結構因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結構贅余度大并且測量信號對結構局部損傷不敏感。

　　另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結構的外觀(guān)狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評價(jià)。

　　二、橋梁健康監測新概念

　　橋梁健康監測的基本內涵即是通過(guò)對橋梁結構狀態(tài)的監控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營(yíng)狀況嚴重異常時(shí)觸發(fā)預警信號，為橋梁維護濰修與管理決策提供依據和指導。為此，監測系統對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監控：

　　·橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài)；

　　·橋梁重要非結構構件（加支座）和附屬設施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；

　　·結構構件耐久性；

　　·大橋所處環(huán)境條件；等等。

　　與傳統的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實(shí)時(shí)監控和對結構狀態(tài)的智能化評估。

　　然而，橋梁結構健康監測不僅僅只是為了結構狀態(tài)監控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)和結構特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴(lài)于理論分析并過(guò)風(fēng)洞、振動(dòng)臺模擬試驗預測橋梁的動(dòng)力性能并驗證其動(dòng)力安全性。然而，結構理論分析�；�于理想化的有限元離散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺試驗時(shí)對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過(guò)橋梁健康監測所獲得的實(shí)際結構的動(dòng)靜力行為來(lái)驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國外一些重要橋梁在建立健康監測系統時(shí)都強調利用監測信息驗證結構的設計。

　　橋梁健康監測信息反饋于結構設計的更深遠的意義在于，結構設計方法與相應的規范標準等可能得以改進(jìn)；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來(lái)實(shí)現橋?quot;虛擬設計"的基礎。

　　還應看到，橋梁健康監測帶來(lái)的將不僅是監測系統和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的"現場(chǎng)實(shí)驗室"。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動(dòng)著(zhù)橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設計也有許多問(wèn)題需要研究。同時(shí)，橋梁結構控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開(kāi)發(fā)也需要結構現場(chǎng)試驗與調查。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營(yíng)中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗室調查的補充，而且可以提供有關(guān)結構行為與環(huán)境規律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評估技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用性也需要現場(chǎng)試驗與調查。

　　綜上所述，大型橋梁健康監測不只是傳統的橋梁檢測加結構評估新技術(shù)，而是被賦予了結構監控與評估、設計驗證和研究與發(fā)展三方面的意義。

　　三、健康監測系統設計

　　1．監測系統設計準則

　　兩座大型橋梁健康監測系統的測點(diǎn)布置情況可以看出，兩個(gè)監測系統的監測項目與規模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主要是因為對各監測系統的投資額和（或）建立各個(gè)系統的目的（或者說(shuō)是對系統的功能要求）不同。因此，橋梁監測系統的設計實(shí)際上有意或無(wú)意地遵循著(zhù)某些準則。

　　顯然，監測系統的設計應該首先考慮建立該系統的目的和功能。上節所述的橋梁健康監測三方面的意義也正是橋梁健康監測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監測系統的目的可以是橋梁監控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發(fā)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統的目的確定，系統的監測項目就可以基本上確定。另外，監測系統中各監測項目的規模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監測系統時(shí)必須對監測系統方案進(jìn)行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監測系統的前提。

　　根據功能要求和成本一效益分析可以將監測項目和測點(diǎn)數設計到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監測系統的兩大準則。

　　2．監測項目

　　不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。絕大多數大跨度橋梁監測系統的監測項目都是從結構監控與評估出發(fā)的，個(gè)別也兼顧結構設計驗證甚至部分監測項目以橋梁?jiǎn)?wèn)題的研究為目的[5]。文獻［12］通過(guò)對國內多座運營(yíng)中的斜拉橋進(jìn)行大量病害調查與檢測分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監控與評估的頗具代表性的監測項目。

　　如果監測系統考慮具有結構設計驗證的功能，那就要獲得較多結構系統識別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細的結構動(dòng)力行為并驗證結構設計時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應預測。另外，在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

　　目前，某些監測系統以開(kāi)發(fā)結構整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結合橋梁?jiǎn)?wèn)題研究的監測系統雖不多見(jiàn)，但有些系統也有監測項目是專(zhuān)為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監測項目可以根據待研究問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)確定。從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看，以下幾方面的問(wèn)題可以借助橋梁健康監測進(jìn)行深入研究或論證。

　　·抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場(chǎng)特性觀(guān)測、結構在自然風(fēng)場(chǎng)中的行為以及抗風(fēng)穩定性。

　　·抗震方面：包括研究各種場(chǎng)地地面運動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點(diǎn)激勵對結構響應的影響等。通過(guò)對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

　　·結構整體行為方面：包括研究結構在強風(fēng)、強地面運動(dòng)下的非線(xiàn)性特性，橋址處環(huán)境條件變化對結構動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內力分布、變形）的影響等。這對于發(fā)展基于監測數據的整體性評估方法非常重要。

　　·結構局部問(wèn)題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問(wèn)題，結合梁結合面（包括剪力鍵）的破壞機制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機制等也值得進(jìn)一步觀(guān)察研究。

　　·耐久性問(wèn)題：橋梁結構中的耐久性問(wèn)題尚有許多問(wèn)題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問(wèn)題尤須重視。

　　·基礎：大直徑樁的采用也帶來(lái)一些設計問(wèn)題，直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助大型橋梁監測系統調查大直徑樁的變形規律、研究樁的承載力問(wèn)題，也是設計部門(mén)的需要。

　　四、小結

　�。�1）橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運用現代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監測橋梁運營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結構響應與行為，獲取反映結構狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結構健康狀態(tài)、評估結構的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學(xué)依據。同時(shí)，大型橋梁結構健康監測對于驗證與改進(jìn)結構設計理論與方法、開(kāi)發(fā)與實(shí)現各種結構控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結構的未知問(wèn)題具有重要意義。因此，健康監測為橋梁工程的發(fā)展開(kāi)辟了新的空間。

　�。�2）大型橋梁健康監測三方面的意義反映了從事橋梁維護管理、設計咨詢(xún)和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問(wèn)題。監測系統的設計應以功能要求和效益－成本分析為基本準則。此外，監測系統的設計應該通過(guò)布點(diǎn)優(yōu)化分析，并且考慮到系統實(shí)施中的非常重要的通信問(wèn)題。

　�。�3）對于大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評估只是結構安全狀態(tài)評估的一部分，不可能僅通過(guò)整體性評估來(lái)解釋橋梁結構的安全狀態(tài)。同時(shí)，大跨度橋梁的力學(xué)特點(diǎn)決定其安全評估的概念上和方法上不同于常規的中小橋梁。

　�。�4）在跨度橋梁結構安全狀態(tài)評估的目的是控制大橋運營(yíng)風(fēng)險及支持減災決策。因此結合橋梁健康監測系統的安全評估，應該可以通過(guò)獲取的監測數據評估橋梁結構的基本狀態(tài)和結構行為。定期或在偶發(fā)事件（如地震）發(fā)生后識別結構的損傷和關(guān)鍵部位的變化，并且對大橋結構生命期各階段的承載能力和抗風(fēng)、抗震能力作出客觀(guān)的定量的評估。

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