淺議橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)

淺議橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)淺議橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)緒論1.1研究背景橋梁在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要的角色，橋梁的建造和維護(hù)是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建立的重要部分。自上世紀(jì)50年代以來，人們開始意識(shí)到橋梁安全檢測(cè)的重要性，但由于早期的監(jiān)測(cè)手段比較落后，所以在應(yīng)用上一直受到相當(dāng)?shù)南拗?。近年來，隨著橋梁設(shè)計(jì)形式與功能的日趨復(fù)雜化，這項(xiàng)技術(shù)更是成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。目前，許多國(guó)家都在一些己建和在建的大跨徑橋梁上在這方面進(jìn)行有益的嘗試。例如，丹麥曾對(duì)總長(zhǎng)1726m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測(cè)，旨在檢查關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，監(jiān)測(cè)施工危險(xiǎn)階段以及獲取開發(fā)優(yōu)化的監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)所必須的橋梁健康記錄;墨西哥有關(guān)部門則對(duì)總長(zhǎng)154.3m的Tampico斜拉橋進(jìn)行了動(dòng)力特性測(cè)試并比較了環(huán)境激振和傳統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)的效果;挪威在主跨530m的Skarnsnde斜拉橋上所安裝的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已能對(duì)風(fēng)、加速度、傾斜度、應(yīng)變、溫度、位移進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè):香港的LantauFixedCrossing和青馬大橋、內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等在施工階段就己開始傳感設(shè)備的安裝設(shè)置。事實(shí)上這種技術(shù)的成功開發(fā)將起到確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)橋梁使用壽命的作用，同時(shí)通過早期發(fā)現(xiàn)橋梁病害能大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用，可以避免最終頻繁大修關(guān)閉交通所引起的重大損失。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于大跨橋的安全檢測(cè)一直主要依靠人工的方法，或是定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢查，或是在出現(xiàn)特殊情況時(shí)再進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。這種傳統(tǒng)的方法己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上橋梁發(fā)展的趨勢(shì)。因此，隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)以及人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們開始研究基于計(jì)算機(jī)的、自動(dòng)的甚至適時(shí)監(jiān)測(cè)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。橋梁健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的工作一直是工業(yè)領(lǐng)域特別關(guān)注的問題。有效的監(jiān)控，可靠的數(shù)據(jù)分析，合理的數(shù)據(jù)解釋，正確的決策一直是專門在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的工程師的挑戰(zhàn)性問題。PAGE141.2研究目的及意義橋梁的生命過程包括總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營(yíng)管理三大階段，以往受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等條件的限制，人們的主要精力往往都集中在第二階段，隨著橋梁的大量建造及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用，橋梁的運(yùn)營(yíng)管理及其中的健康監(jiān)測(cè)管理越來越受到重視。隨著橋齡的不斷增長(zhǎng)，由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用和日益增加的交通量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加，橋梁的使用功能的退化必然發(fā)生。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的形勢(shì)下，對(duì)于交通運(yùn)輸能力的要求也在不斷提高，很多已建橋梁的老化和功能退化呈現(xiàn)加速的趨勢(shì)。隨著交通事業(yè)的發(fā)展、荷載等級(jí)、交通流量、行車速度等必然提高，還有一些不可預(yù)測(cè)的自然破壞力也將會(huì)危及橋梁的安全，若在建設(shè)橋梁時(shí)進(jìn)行了施工控制，并預(yù)留長(zhǎng)期觀測(cè)點(diǎn)，將會(huì)給橋梁創(chuàng)造終身安全監(jiān)測(cè)的條件，從而給橋梁營(yíng)運(yùn)階段的養(yǎng)護(hù)工作提供科學(xué)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，給橋梁安全使用提供可靠保證。因此，在橋梁的營(yíng)運(yùn)階段建立長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使橋梁養(yǎng)護(hù)部門能根據(jù)該橋的實(shí)際使用狀態(tài)進(jìn)行有效的維護(hù)，而不是目前只靠外觀檢查等簡(jiǎn)單手段，得到粗略的依據(jù)，進(jìn)行不切要害的養(yǎng)護(hù)。要徹底改變目前橋梁養(yǎng)護(hù)部門的現(xiàn)狀，科學(xué)地、主動(dòng)地預(yù)報(bào)橋梁營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，需要在橋梁施工過程中進(jìn)行施工控制系統(tǒng)的建立，進(jìn)而建立起可靠的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并使其能長(zhǎng)期對(duì)橋梁營(yíng)運(yùn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這樣才能確保這些耗資巨大、與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全。對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)，包括交通控制、損傷檢測(cè)等方面，合理的進(jìn)行交通管理，保證人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。實(shí)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的損傷檢測(cè)，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)任何時(shí)候出現(xiàn)的損傷進(jìn)行其定性、定量分析;對(duì)檢測(cè)出來的損傷進(jìn)行原因分析，提供維修建議等;在新建的結(jié)構(gòu)完工后使用前進(jìn)行質(zhì)量和安全驗(yàn)收測(cè)試;在突發(fā)事件(如地震、意外大風(fēng)或其他嚴(yán)重事故等)之后的剩余壽命評(píng)估等等;尤其關(guān)鍵的是，這些檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造者們來說都是十分珍貴的資料。這些檢測(cè)資料可以提高人們對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力行為和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)過程的認(rèn)知，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的可行性與可靠性，為以后的設(shè)計(jì)和建造提供依據(jù)。1.3橋梁健康監(jiān)測(cè)及評(píng)估的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1橋梁健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)橋梁安全、耐久性評(píng)估已經(jīng)展開了大量研究并取得不同程度的進(jìn)展。國(guó)外的專家學(xué)者在對(duì)中小橋的管理、維修等方面的研究投入的精力較多，大多往往集中于對(duì)橋梁各分部構(gòu)件的檢測(cè)與單獨(dú)評(píng)估，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果制訂出針對(duì)構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)、維修或更換決策;與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)目前的評(píng)估工作尚存在一定差距，主要表現(xiàn)在評(píng)估理論還不夠先進(jìn)，評(píng)估體系還不夠健全，評(píng)估方法還有待完善。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng):隨著人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的日益重視，橋梁監(jiān)測(cè)工作得到迅速發(fā)展，目前己經(jīng)有許多大型的橋梁安裝了永久的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。事實(shí)上，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究目前處于理論探索研究和試驗(yàn)研究階段，尤其是其中的數(shù)據(jù)分析處理部分，尚沒有成熟的可操作性強(qiáng)的損傷檢測(cè)方法，完整的自動(dòng)化的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)還需要進(jìn)行原型研究和試驗(yàn)。因而，這些對(duì)已建橋梁進(jìn)行的健康監(jiān)測(cè)都是對(duì)系統(tǒng)的完善發(fā)展。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋找一種能夠適用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體評(píng)估方法。目前，橋梁健康監(jiān)測(cè)理論的研究主要集中在結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別兩個(gè)方面。由于基于振動(dòng)信息的整體性評(píng)估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的深入研究和運(yùn)用，這項(xiàng)技術(shù)也同樣被用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體性評(píng)估中并得到了廣泛的重視和研究。業(yè)界人士致力于基于振動(dòng)測(cè)量值的整體性評(píng)估方法研究以便結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可以在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中通過環(huán)境脈動(dòng)方法獲得，這樣就不需要關(guān)閉交通，因此也就具有了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潛力和可能。近幾年來，橋梁整體監(jiān)測(cè)的研究試驗(yàn)與研究取得的進(jìn)展主要有以下幾個(gè)方面：(1)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在一定程度上可以利用測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模型的修正，目前尚無在實(shí)際橋梁中的應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn);(2)通過對(duì)各種橋梁動(dòng)力性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證實(shí)了采用環(huán)境脈動(dòng)法進(jìn)行橋梁損傷檢測(cè)是可行的;(3)各種基于頻響函數(shù)、頻率、振型、振型斜率、曲率模態(tài)、應(yīng)變能等的改變的損傷檢測(cè)方法和定位技術(shù)各具特色，在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出了積極的效果;(4)對(duì)適用于橋梁監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)敏感參數(shù)積累了理論認(rèn)知和試驗(yàn)基礎(chǔ)。1.3.2橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r（1）國(guó)外研究發(fā)展?fàn)顩rPonds橋梁管理系統(tǒng)主要針對(duì)公路交通網(wǎng)絡(luò)中中小橋梁的管理與維護(hù)，目前己廣泛應(yīng)用于美國(guó)各州的公路橋梁管理工作。它開發(fā)于1988年。對(duì)于公路系統(tǒng)中的眾多中小橋梁，系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型和Markov決策過程實(shí)現(xiàn)橋梁養(yǎng)護(hù)維修預(yù)算的制訂和資金的分配，通過效益/費(fèi)用(benefit/cost)分析方法在限制預(yù)算內(nèi)進(jìn)行橋梁維修管理的決策;1988年，美國(guó)聯(lián)邦公路局研究開發(fā)了世界上第一個(gè)橋梁管理系統(tǒng)“國(guó)家橋梁檔案數(shù)據(jù)庫(kù)”，其軟件數(shù)據(jù)文件形式，但是己有初步的輔助決策功能。該系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為能記錄、存儲(chǔ)、更新以及統(tǒng)計(jì)橋梁各項(xiàng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，同時(shí)還能對(duì)國(guó)家公路上的橋梁作出評(píng)定，為橋梁的重建和維修計(jì)劃提供輔助決策。Bridge橋梁管理系統(tǒng)是美國(guó)于1986年開發(fā)的另一個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在模型和功能上與Pontis有許多相似之處，如退化模型運(yùn)用了Markov模型。這兩個(gè)系統(tǒng)區(qū)別在于優(yōu)化模型上，Bridge能夠進(jìn)行多年的分析，而Pontis僅能在網(wǎng)級(jí)水平上進(jìn)行橋梁優(yōu)化。HitoshiFuruta等1996年采用遺傳算法(GeneticAlgorithms)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetworks)相結(jié)合的方法開發(fā)了橋梁損傷模糊評(píng)估專家系統(tǒng)。在野外橋梁現(xiàn)場(chǎng)獲取專家知識(shí)有困難的情況下，采用GA-NN相結(jié)合方法，有可能獲得新的知識(shí)和判斷規(guī)則（2）國(guó)內(nèi)研究發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)橋梁評(píng)估管理系統(tǒng)的研究開始于八十年代中期，由四川公路研究所、廣東省公路研究所、交通部公路研究所和北京市公路管理局等單位在吸收國(guó)外開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，先后開發(fā)了四川省橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、廣東省橋梁管理系統(tǒng)、北京市橋梁管理系統(tǒng)等。西南交通大學(xué)開發(fā)的“橋梁工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)”中，考慮了傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的特征，也考慮了新型的演繹數(shù)據(jù)庫(kù)的特征。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種橋梁的設(shè)計(jì)、施工、橋梁所跨越河流及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的錄入、查詢和修改功能，并進(jìn)一步把各種數(shù)據(jù)應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和決策系統(tǒng)。交通部公路科研所研制的省市級(jí)公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)，有橋梁靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)價(jià)決策數(shù)據(jù)庫(kù)以及圖形服務(wù)、圖像處理、模糊數(shù)學(xué)、AHP綜合評(píng)估、費(fèi)用分析等105個(gè)功能。陸亞興等在“上海市公路路面一橋梁管理系統(tǒng)”研究中，引入橋梁缺損狀況指數(shù)BCI(BridgeConditionIndex)作為橋梁缺損狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了BCI的計(jì)算模型，通過主客觀相結(jié)合的方法標(biāo)定了模型的各項(xiàng)參數(shù)。2橋梁健康監(jiān)測(cè)相關(guān)概念2.1橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介由于自然環(huán)境的作用和建設(shè)材料隨時(shí)間各種性能也隨之退化，導(dǎo)致橋梁在建造和使用過程中會(huì)出現(xiàn)一定程度的損傷，若損傷得不到及時(shí)檢查及維修，會(huì)使橋梁影響行車安全甚至垮塌，導(dǎo)致橋梁使用壽命縮短“只有加強(qiáng)對(duì)橋梁健康檢測(cè)和安全評(píng)估的管理意識(shí)，才能保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性#耐久性和適用性，所以提出對(duì)橋梁施工#養(yǎng)護(hù)#管理等工作要實(shí)施合理的方法更為重要。2.2橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)的重要性近年來隨著交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展壯大，橋梁在設(shè)計(jì)和建設(shè)的跨度越來越大，功能和形式更加復(fù)雜并多樣化，以及國(guó)家在橋梁建設(shè)所花費(fèi)的巨大投資將會(huì)極大的刺激國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代中后期開始國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家越來越重視到橋梁的安全評(píng)估和健康檢測(cè)工作。2.3橋梁健康檢測(cè)的內(nèi)容和依據(jù)橋梁健康檢測(cè)內(nèi)容及依據(jù)主要有:1)荷載:由風(fēng)、溫度、地震和交通等引起的荷載。用以記錄風(fēng)向、風(fēng)速等進(jìn)程和歷史的風(fēng)速儀，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以算出風(fēng)功率譜;用以記錄車流通過橋梁的時(shí)程歷史，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)處理后可計(jì)算出交通荷載譜的動(dòng)態(tài)地秤;用以記錄溫度和溫差時(shí)程歷史的溫度訓(xùn)一;用以記錄地質(zhì)作用和地震作用的強(qiáng)震儀;用以記錄橋梁上車流情況和橋梁上的交通事故的攝像機(jī)。2)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力反應(yīng):用力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷等測(cè)力計(jì)記錄主纜、錨桿和吊桿的張力歷史;用位移計(jì)、傾角儀記錄結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力變形和轉(zhuǎn)角、支座和伸縮縫靜動(dòng)力相對(duì)位移歷史;用加速度計(jì)記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應(yīng)加速度及結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù);用應(yīng)變儀記錄橋梁構(gòu)件的靜動(dòng)力應(yīng)變和應(yīng)力。3)幾何監(jiān)測(cè):對(duì)橋梁各部位的靜態(tài)位移和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所使用傳感器有:位移計(jì)、GPS、傾角儀、數(shù)宇像機(jī)、電子測(cè)距儀(EDM)等。2.4常用檢測(cè)儀器紅外熱像儀檢測(cè)法紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)是目前國(guó)際上橋梁檢測(cè)手段中運(yùn)用較廣的一種檢測(cè)手段，主要是根據(jù)橋梁內(nèi)部溫度來判斷橋梁的整體健康情況，當(dāng)橋梁有損傷情況時(shí)，所發(fā)出的紅外線與周圍物體會(huì)有所小同，紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)可以直觀的反映出橋梁的損傷情況，技術(shù)人員可以據(jù)此判定橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，紅外熱像儀檢測(cè)技術(shù)測(cè)量快速，但是由于影響物體溫度變化的因素很多，所以還要借助其他的檢測(cè)技術(shù)。光纖感應(yīng)器檢測(cè)法光纖感應(yīng)器檢測(cè)法主要是利用光纖對(duì)物體的感應(yīng)程度來實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀況的檢測(cè)，光纖感應(yīng)器能夠從光纖作用、信號(hào)調(diào)節(jié)方式以及測(cè)量對(duì)象等多個(gè)角度進(jìn)行分類，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的橋梁健康檢測(cè)方法之一電磁波檢測(cè)法電磁波檢測(cè)法主要包括雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)法以及渦流檢測(cè)法，渦流檢測(cè)法基于物理學(xué)中電磁感應(yīng)的原理來檢測(cè)橋梁的表面損傷程度，雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)法則是利用電磁脈沖發(fā)射的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的檢測(cè)，雷達(dá)技術(shù)在橋梁檢測(cè)運(yùn)用原理是將超高短頻脈沖傳進(jìn)橋梁內(nèi)部，繼而根據(jù)橋梁表面得反射兩測(cè)定橋梁的健康情況。3橋梁健康檢測(cè)的常用方法3.1混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)在確保混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不被破壞的前提下，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件原位處直接進(jìn)行混凝土強(qiáng)度及缺陷的定量檢測(cè)。常用的無損檢測(cè)包括如鉆芯、射釘或拔出等局部破損的檢測(cè)技術(shù)和方法。3)鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)。4)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)。3.2混凝土結(jié)構(gòu)半破損檢測(cè)利用拔出儀將埋置于混凝土表而層的錨桿拉拔出來，再依據(jù)所得到的混凝土拉拔強(qiáng)度值，進(jìn)而推算出混凝土的整體抗壓強(qiáng)度。此方法的原理是對(duì)混凝土的基本力學(xué)特性直接進(jìn)行測(cè)定，故測(cè)得的數(shù)據(jù)一般較為可靠，目前前我國(guó)也對(duì)半破損檢測(cè)方法制定了標(biāo)準(zhǔn)。3.3鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)在不損害、不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，利用聲、光、磁和電等特性，看被檢對(duì)象中是否存在不均勻或其他缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，判定被檢對(duì)象的技術(shù)狀態(tài)是否合格及其剩余壽命，利用這些技術(shù)手段對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)。常用的方法有:超聲檢測(cè)射線檢測(cè);磁粉檢測(cè);滲透檢驗(yàn)。3.4預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)由于能獲得可靠的質(zhì)量、較高的單樁承載力和施工效率，并且綜合造價(jià)也較低，口前在全國(guó)范圍內(nèi)的很多地區(qū)都得到極其廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的檢測(cè)階段具體分為三部分，第一階段是試樁檢測(cè)，第二階段是施工監(jiān)控，第三階段則是驗(yàn)收檢測(cè)。3橋梁安全評(píng)價(jià)4.1橋梁安全的耐震評(píng)價(jià)高速公路的路基、橋梁、隧道及防護(hù)工程在施工階段對(duì)防震都采取了相應(yīng)的措施和對(duì)策。日本針對(duì)地震震坍護(hù)坡的實(shí)例，發(fā)明了通過護(hù)坡耐震模型振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行原因分析，其分析結(jié)果有兩個(gè):1)破壞要素可能有護(hù)坡高度、坡頂土層厚度、護(hù)坡土質(zhì)狀況、土質(zhì)粘著力等;2)地震不同震級(jí)的震坍點(diǎn)會(huì)引起護(hù)坡發(fā)生變形或震坍，因?yàn)檎鹛c(diǎn)是為其2倍左右的加速度。4.2橋梁安全的荷載評(píng)價(jià)荷載的作用可導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，也是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)展的最主要的原因。荷載過大會(huì)使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，承載力不足會(huì)使構(gòu)件變形或受力裂縫過寬，導(dǎo)致橋梁的正常使用，同時(shí)還能加劇結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕，尤其是混凝土受拉區(qū)的鋼筋。橋梁荷載試驗(yàn)是指對(duì)橋梁進(jìn)行加載，然后測(cè)得橋梁加載后的數(shù)據(jù)變化，通過試驗(yàn)，可以了解橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)。從而可以判定橋梁結(jié)構(gòu)的形變以及應(yīng)力是否滿足設(shè)訓(xùn)一的要求，還可以尋求橋梁整體結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況和工作狀況，可以給橋梁投入運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)及管理提供科學(xué)依據(jù)，舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)還可以給橋梁進(jìn)行技術(shù)加固提供依據(jù)。4.3橋梁安全的河川耐洪能力評(píng)價(jià)根據(jù)查閱國(guó)內(nèi)對(duì)河川橋梁沖刷相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)橋梁受洪水沖刷時(shí)，影響橋梁安全的危害程度的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并區(qū)分為橋梁環(huán)境影響程度指標(biāo)及橋梁耐洪能力危害度指標(biāo)，確認(rèn)評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)口，完成本方法之評(píng)估口標(biāo)及層級(jí)架構(gòu)。再以層級(jí)分析法通過專家問卷方式進(jìn)行各指標(biāo)項(xiàng)口之權(quán)重，權(quán)重決定后與指標(biāo)項(xiàng)口內(nèi)容評(píng)分分?jǐn)?shù)相乘，即得各指標(biāo)分?jǐn)?shù)。以橋梁環(huán)境影響程度指標(biāo)為縱軸，橋梁耐洪能力危害度指標(biāo)為橫軸，得到橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣圖，即完成本研究之橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策模式。橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策模式建立后，搜集國(guó)內(nèi)北部、中部、南部河系上橋梁基本數(shù)據(jù)、河川水文數(shù)據(jù)及評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析，得各橋梁之風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)之風(fēng)險(xiǎn)排序，評(píng)估結(jié)果再與橋梁主管機(jī)關(guān)之養(yǎng)護(hù)橋梁工程司進(jìn)行排序之比較，依本方法之風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序皆與專家依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷之排序相符。暨有公路橋梁耐洪初評(píng)項(xiàng)口系將環(huán)境影響程度與橋梁耐洪能力危害度合并評(píng)估，本方法將環(huán)境影響程度與橋梁耐洪能力危害度分開評(píng)估，可得到較精確結(jié)果，提供橋梁主管機(jī)關(guān)于臺(tái)風(fēng)暴雨前，對(duì)轄管橋梁進(jìn)行橋梁耐洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，排序橋梁危險(xiǎn)之優(yōu)先級(jí)。4.4土石流橋梁安全評(píng)價(jià)泥石流，又稱土石流，是指在地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，比如山區(qū)或者其他溝谷深壑等，由于暴雨暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流具有突然性、流量大、流速快、物質(zhì)容量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。發(fā)生泥石流常常會(huì)沖毀公路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等，造成巨大損失。5結(jié)合工程實(shí)例分析5.1系統(tǒng)目的蘇通大橋主橋采用主跨1088m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,不僅規(guī)模宏大,在斜拉橋幾何尺度方面創(chuàng)造了幾項(xiàng)世界第一,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工等許多方面都超出了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),極具挑戰(zhàn)性,難度極大,而且由于其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜、風(fēng)大水深流急,抗風(fēng)安全和河床沖刷突出,因此,蘇通大橋?qū)⑹悄壳爸袊?guó)建橋史上工程規(guī)模最大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)最高、技術(shù)最復(fù)雜、科技含量最高的現(xiàn)代化特大型橋梁工程,也是世界斜拉橋建設(shè)史上的標(biāo)志性工程。考慮到蘇通大橋規(guī)模宏大,可以預(yù)見其檢查、養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用將是昂貴的。為保證蘇通大橋在整個(gè)設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的安全運(yùn)營(yíng),同時(shí)盡量減少大橋的管理維護(hù)費(fèi)用,必須建立一套功能全面、性能優(yōu)良、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng);此外,該系統(tǒng)的建立對(duì)于提升蘇通大橋的設(shè)計(jì)、施工和管理水平亦具有十分重要的意義。構(gòu)想中的蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的主要功能:①確認(rèn)蘇通大橋的實(shí)際性能,確保達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo);②增加對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全程度的把握,確保蘇通大橋能長(zhǎng)期安全使用;③服務(wù)于大橋的施工監(jiān)測(cè)、成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)綜合管理系統(tǒng),減少非重點(diǎn)部位的人工檢查次數(shù),在意外發(fā)生期間和事后評(píng)估安全度,輔助和改進(jìn)大橋的檢測(cè)方法,為大橋的維護(hù)決策提供依據(jù);④發(fā)展先進(jìn)的大跨度斜拉橋的監(jiān)測(cè)、控制和評(píng)估技術(shù)和方法。5.2系統(tǒng)總體框架為達(dá)到上述目的,蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)將由4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成(見圖1)；①傳感器系統(tǒng)(SS);②數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)③數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)(DPCS);④結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)(SHES)。這4個(gè)子系統(tǒng)將運(yùn)行于4個(gè)層次:第1層次是數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器系統(tǒng)拾取的信號(hào);第2層次是將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過光纖網(wǎng)絡(luò)輸送到數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng);第3層次是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ);第層次是由高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成大橋結(jié)構(gòu)健康狀況的評(píng)價(jià)工作,提供大橋在整個(gè)運(yùn)營(yíng)過程中工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)報(bào)告并且對(duì)非正常狀態(tài)提供預(yù)警,實(shí)時(shí)評(píng)估大橋的安全性、適用性以及為大橋的定期檢查和維修提供直接依據(jù),并提交監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)報(bào)告。5.2.1傳感器系統(tǒng)（SS）蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基本監(jiān)測(cè)功能將通過傳感系統(tǒng)來實(shí)施。傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)將以技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、可靠適用、確保質(zhì)量為目的，充分考慮蘇通大橋健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的三大類參數(shù):①荷載源(輸入?yún)?shù))，包括風(fēng)、溫度、交通量和地震荷載等;②系統(tǒng)特性(系統(tǒng)參數(shù))包括靜力效應(yīng)系數(shù)和總體動(dòng)力特性等;③橋梁的響應(yīng)(輸出參數(shù))，包括幾何外形(或橋梁位移)、索力、應(yīng)力應(yīng)變分布、結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞估計(jì)等。同時(shí)，蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)還將并入蘇通大橋蘇通地基基礎(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)的部分傳感器并考慮結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)。為達(dá)到上述目的，蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中傳感器子系統(tǒng)(SS)將由超聲風(fēng)速儀、車速車軸儀、全球定位系統(tǒng)、加速度傳感器等16類傳感器組成。其包括由788個(gè)各類傳感器所構(gòu)成上部結(jié)構(gòu)固定式傳感器系統(tǒng)，由16只高精度加速度傳感器構(gòu)成的便攜式傳感器系統(tǒng)及包含636只傳感器的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)，傳感器總數(shù)達(dá)到1440只。見圖25.2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（DATS）對(duì)于主跨超過1000m的蘇通大橋，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含的傳感器種類繁多、分布范圍廣，為防止長(zhǎng)距離傳輸造成信號(hào)失真和減少電磁信號(hào)干擾，必須對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化研究，盡量減少數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量，以節(jié)約資金、簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高效率，同時(shí)保證信號(hào)和采集數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。數(shù)據(jù)采集單元的優(yōu)化布置是蘇通大橋健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。設(shè)計(jì)中蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)(DA&TS)將由光纖網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集單元(DataAcquisitionUnits，簡(jiǎn)稱組成，目前方案包括9個(gè)數(shù)據(jù)采集站和2個(gè)數(shù)據(jù)采集子站，并仍在思考采集站數(shù)量的進(jìn)一步精簡(jiǎn)。考慮到鋼箱梁中的夏季高溫，數(shù)據(jù)采集站將外設(shè)溫控倉(cāng)房。5.2.3數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)（DPCS）蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)主要將負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、匯集、歸檔、備份、顯示及運(yùn)算，并通過雙環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)控制安裝在橋梁上的數(shù)據(jù)采集站。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性測(cè)試等過程，以各種可用方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、可視化、評(píng)估、編譯，從而完成數(shù)據(jù)一信息一知識(shí)的轉(zhuǎn)化，并通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、分析和其他模型化處理，從中提取能輔助后續(xù)自動(dòng)損傷識(shí)別與狀態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)并將經(jīng)過處理和分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估服務(wù)器，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)估和產(chǎn)生監(jiān)視、評(píng)估報(bào)告。5.2.4結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)（SHES）蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心和靈魂，該系統(tǒng)將采用功能強(qiáng)大的多臺(tái)服務(wù)器或工作站來共同完成結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估，并利用圖形處理軟件完成可視化的結(jié)果分析與顯示，大橋的高精度有限元模型也建立在此系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是進(jìn)行大橋在臺(tái)風(fēng)、地震等作用下的易損性分析。蘇通大橋的性能狀態(tài)主要將根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)檢查和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三方面的信息加以評(píng)估。目前階段，結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)的研究主要集中于構(gòu)件評(píng)級(jí)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)評(píng)估有限元模型及修正、結(jié)構(gòu)健康狀況局部與整體損傷評(píng)估、疲勞評(píng)估等內(nèi)容。在蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)過程中，思考的重點(diǎn)主要集中于2個(gè)核心問題:①如何獲取有效信息，即如何從海量信號(hào)中去除干擾獲取有效信息;②如何進(jìn)行信息的合理分析。對(duì)于第一個(gè)問題，主要采取在傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)中一系列先進(jìn)技術(shù)手段的運(yùn)用予以解決，而對(duì)于第二個(gè)問題，則將蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)考慮為由5個(gè)模塊組成，即適用性評(píng)估模塊、安全性評(píng)估模塊、耐久性評(píng)估模塊、橋梁評(píng)級(jí)系統(tǒng)和損傷診斷與預(yù)測(cè)模塊，后4個(gè)模塊均將與橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)緊密結(jié)合，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中將充分考慮人工檢查方法與實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合。5.2.5便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將包括犯通道數(shù)據(jù)記錄儀及相應(yīng)的傳感器(以便攜式加速度傳感器和便攜式疲勞檢測(cè)儀為主)和分析軟件。分析軟件。J用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理、歸檔、存儲(chǔ)與顯示。此系統(tǒng)可用于測(cè)試斜拉索的張力，并連同固定式加速度傳感器完成整橋模態(tài)特性的檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)大橋健康狀況或損傷報(bào)警后，此系統(tǒng)可用于進(jìn)一步確定/確認(rèn)具體的損傷位置、損傷程度。5.2.6攜式檢查與維護(hù)系統(tǒng)(PIMS)蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的便攜式檢查與維護(hù)系統(tǒng)將包括若干便攜式計(jì)算機(jī)，用于檢查傳感器系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是指導(dǎo)系統(tǒng)的檢修上作，井更新相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一資料，包括安裝圖紙及操作與維護(hù)手冊(cè)。6結(jié)論與建議橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)在我國(guó)開展的時(shí)間不長(zhǎng)，雖然取得了一定的經(jīng)驗(yàn)及成果，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍較為落后。我們應(yīng)當(dāng)多學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全方法的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家加大各項(xiàng)投入，形成有我國(guó)特色的橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)體系。參考文獻(xiàn)YongXia,HongHao,JamesM.W.BrownjohnandPin-QiXia,Damageidentificationofstructureswithuncertainfrequencyandmodalshapedata[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,2002,31(5):1053-1066.謝強(qiáng)，薛松濤.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究狀況與進(jìn)展[[J].中國(guó)科學(xué)基金，2001(5)285-288.HousnetGW.StructuralControl:Past,PresentandFuture,J.EngineeringMechanics,SpecialIssue[J].1997,123(9):897-971.劉西拉，楊興國(guó).橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢(shì)[[J].工程力學(xué)(增刊),1996:20-29張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,29(1):22-27DoeblingSW,FarrarCR,PrimeMBetal.DamageIdentificationandHealthMonitoringofStructuralandMechanicalSystemfromChangesinTheirVibrationCharacteristics:ALiteratureReview[J].1996,LosAlamosNationalLaboratoryReport,No.LA-13070-VAS.李宏男，李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、診斷監(jiān)測(cè)及診斷述評(píng)[[J].地震工程與工程振動(dòng)，2002,22(3):82-90.劉君華.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1994.H.LusandR.Betti,DamageIde