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大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估研究

肖冠英

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

1、概述

    大跨度橋梁的生命周期一般包括總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)施工以及運(yùn)營(yíng)管理這三大階段。以往由于受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，主要精力都集中在設(shè)計(jì)施工階段。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，特別是交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，橋梁建設(shè)的形式和功能更加復(fù)雜多樣化。加之跨度也愈來(lái)愈大，以及建橋的巨大投資和它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，橋梁的健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估工作已愈來(lái)愈受到人們的重視。例如，丹麥對(duì)總長(zhǎng)1726m的Faroe跨海斜拉大橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測(cè)；墨西哥對(duì)總長(zhǎng)1543m的Tampic0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；英國(guó)在總長(zhǎng)522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測(cè)大橋運(yùn)營(yíng)階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。中國(guó)自20世紀(jì)90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、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己安裝健康監(jiān)測(cè)用的傳感設(shè)備，以備運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最近在蘇通大橋建立了健康監(jiān)測(cè)評(píng)估以及在武漢陽(yáng)邏公路大橋完成了光纖光柵橋梁施工控制及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；特別是近年建成的位于江蘇省境內(nèi)的潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了對(duì)大橋的車流量、車輛荷載狀況(車載、車速及車流量)、橋址處的氣候環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向)、地動(dòng)脈、索塔沉降等進(jìn)行檢測(cè)以外，還對(duì)南漢懸索橋的主跨縱向、橫向、豎向位移、載面的壓力分布、溫度等，錨室主纜索股拉力、索塔的振動(dòng)特性，北汊斜拉橋的斜拉索拉力、斜拉索振動(dòng)、主梁線型、索塔的振動(dòng)等特性進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。

    從己經(jīng)建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運(yùn)行等方面看，這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下一些共同特點(diǎn)。

    (1)通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄。

    (2)除監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強(qiáng)調(diào)對(duì)結(jié)構(gòu)環(huán)境條件(如風(fēng)、車輛荷載等)的監(jiān)測(cè)和記錄分析；同時(shí)，試圖通過(guò)橋梁在正常車輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應(yīng)來(lái)建立結(jié)構(gòu)的“指紋”，并借此開發(fā)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)。

    (3)在通車運(yùn)營(yíng)后連續(xù)或間斷地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整，某些橋梁監(jiān)測(cè)傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量。

    (4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

    由于大型橋梁的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測(cè)其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此，通過(guò)橋梁健康檢測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來(lái)檢驗(yàn)大橋的理論模型和計(jì)算假定具有重要意義。不僅對(duì)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)模型有驗(yàn)證作用，而且有益于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等得到改進(jìn)。

2、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

    橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的絹成如圖l所示。

圖1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：

    (1)橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài)；

    (2)橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；

    (3)橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如斜拉橋振動(dòng)控制裝置)的工作狀態(tài)。

    (4)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性。主要是提供構(gòu)件疲勞狀況的真實(shí)情況。

    (5)工程所處環(huán)境條件如溫度、風(fēng)速等。

    因此，橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。在偶發(fā)事件(如地震)發(fā)生后，可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷和關(guān)鍵部位的變化，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的承載能力和抗風(fēng)、抗震能力作出客觀的定量評(píng)估。

    2.1橋梁監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

    橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有以下幾方面。

    (1)荷載。包括風(fēng)、地震、溫度和交通荷載等。使用的傳感器有：風(fēng)速儀——記錄風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得風(fēng)功率譜；溫度計(jì)——記錄溫度、溫度差時(shí)程歷史；動(dòng)態(tài)地秤——記錄交通荷載流時(shí)程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得交通荷載譜；強(qiáng)震儀一記錄地震作用；攝像機(jī)——記錄車流情況和交通事故。

    (2)幾何監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)橋梁各部位的靜態(tài)位置和靜態(tài)位移(如橋塔和錨碇的沉降和傾斜、主纜和加勁梁的線型變化等)。所使用的傳感器有：位移計(jì)、傾角儀、GPS、電子測(cè)距儀(EDM)、數(shù)字像機(jī)等。

    (3)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力反應(yīng)。如用位移計(jì)、傾角儀記錄結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力變形和轉(zhuǎn)角、支座和伸縮縫的靜動(dòng)力相對(duì)位移歷史；用應(yīng)變儀記錄橋梁構(gòu)件的靜動(dòng)力應(yīng)變和應(yīng)力。用測(cè)力計(jì)(力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷)記錄主纜、錨桿和吊桿的張力歷史；用加速度計(jì)記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應(yīng)加速度，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

    (4)非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施,支座、振動(dòng)控制設(shè)施等。

    2.2橋梁監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

    健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于大型橋梁健康監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。這里結(jié)合國(guó)內(nèi)外一些己建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大型橋梁的測(cè)點(diǎn)、傳感器布設(shè)情況(見表l)，簡(jiǎn)要闡述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些準(zhǔn)則。從表1給出的幾座大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)、傳感器布置情況可看出，各個(gè)橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置的數(shù)量、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與規(guī)模存在很大的差異。這種差異除了橋型和橋位所處環(huán)境不同的因素外，主要是因?yàn)閷?duì)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資額和建立各個(gè)系統(tǒng)的目的和功能不同而異。基于以上分析，建議在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常遵循以下步驟。

    (1)針對(duì)具體橋梁，確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和功能。對(duì)于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評(píng)估，或是設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，甚至是以研究發(fā)展為目的。

    (2)分析橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境狀況、運(yùn)營(yíng)情況，確定橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

    (3)建立橋梁有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析，確定應(yīng)力相對(duì)不利的位置及動(dòng)力分析結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)優(yōu)化理論綜合確定測(cè)點(diǎn)布置方案。

    (4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模以及所采用的傳感器和通信設(shè)備等的確定都需要考慮整個(gè)項(xiàng)目投資額的限度。必須對(duì)設(shè)計(jì)方案做成本效益分析，再根據(jù)目的、功能要求和成本效益分析將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)在所需范圍之內(nèi)。

    表1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)、傳感器布置

3、安全評(píng)估模型

    橋梁安全評(píng)估是利用特定信息分析既有橋梁的可靠性，并為使橋梁保持規(guī)定的安全性能而做出相應(yīng)工程決策的過(guò)程。對(duì)于早先修建的中小橋梁，一般以評(píng)估橋梁的承載能力為重點(diǎn)。而對(duì)于大型橋梁，則將評(píng)估理論和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，充分利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁進(jìn)行損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估。

目前，橋梁安全性評(píng)估理論方法主要有層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、可靠度理論、振動(dòng)模態(tài)方法等。影響大型橋梁安全狀態(tài)的因素眾多，各因素之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，部分因素的影響力及作用程度無(wú)法定量描述。層次分析法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方面己經(jīng)取得了一些應(yīng)用成果，本文主要介紹這兩種方法。

    3.1層次分析法(AHP，Analytic Hierarchy Proeess)

    層次分析法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于1980年提出的一種定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)決策方法，具有系統(tǒng)、簡(jiǎn)潔、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。層次分析法把復(fù)雜問(wèn)題分解為不同的組成因素，并將這些因素按照支配關(guān)系和相互影響劃分為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)兩兩比較方式確定層次中各個(gè)因素相對(duì)于上一層次相應(yīng)因素的重要性。層次分析法的核心是量化決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷，從而為決策者提供定量的決策依據(jù)，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下更為實(shí)用。次分析法體現(xiàn)了人類決策思維中分析、判斷和綜合的基本特征。運(yùn)用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，大體可以分為四個(gè)基本步驟。

    (1)分析問(wèn)題中各因素之間的關(guān)系，建立遞階層次結(jié)構(gòu)，層次中的各因素稱為指標(biāo)。

    (2)對(duì)同一層次的各個(gè)指標(biāo)以上一層次的相應(yīng)指標(biāo)為準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。

    (3)根據(jù)判斷矩陣計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，方法有特征根法、和法、根法、最小二乘法和對(duì)數(shù)最小二乘法等。

    (4)由于判斷矩陣的構(gòu)造是基于單準(zhǔn)則的決策，因此必進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，只有通過(guò)了一致性檢驗(yàn)才說(shuō)明其邏輯判斷是合理的。

     3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN，Artificial Neural Networkl

    人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興起于20世紀(jì)80年代，是模擬人腦功能的抽象數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲(chǔ)和并行協(xié)同處理，具有集體運(yùn)算能力和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，還有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性以及聯(lián)想憶功能。

    從不同的角度對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)作不同組織和抽象層次的模擬，到目前為止可以得到不下于40種的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)；按層次可分為神經(jīng)元層次模型、組合式模型、網(wǎng)絡(luò)層次模型、神經(jīng)系統(tǒng)層次模型、智能型模型。具有代表性的網(wǎng)絡(luò)模型有感知器型前饋網(wǎng)絡(luò)、BP型前饋網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)(RBF)網(wǎng)絡(luò)、雙向聯(lián)想記憶(BAM)模型、Hopfield型反饋網(wǎng)絡(luò)等。運(yùn)用這些網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)逼近、數(shù)據(jù)聚類、模式分類、優(yōu)化計(jì)算等功能。

    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的誤差反向傳播(BP，Back Propagation)神繹網(wǎng)絡(luò)，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用最廣泛的一種。BP網(wǎng)絡(luò)縣一種多層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從函數(shù)逼近功能的角度來(lái)看，是典型的全局逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層、輸出層構(gòu)成，其權(quán)值的調(diào)整采用誤差反向傳播的學(xué)習(xí)算法，神經(jīng)元的變換函數(shù)一般采用Sigmoid型：

    按照BP算法原理，可以得出建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體步驟如下。

    (1)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括輸入層、隱含層、輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，學(xué)習(xí)因子η、慣性因子a誤差允許范圍ε等；

    (2)初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值；

    (3)輸入Ⅳ個(gè)樣本的輸入值和期望輸出值；

    (4)計(jì)算樣本隱含層和輸出層各個(gè)神經(jīng)單元的實(shí)際輸出；

    (5)計(jì)算誤差E，若E≤s，則結(jié)束學(xué)習(xí)；

    (6)對(duì)隱含層和輸出層的單元分別計(jì)算輸出誤差：

    (7)分別對(duì)各層的連接權(quán)值進(jìn)行修正；

    (8)如果己達(dá)到訓(xùn)練次數(shù)則結(jié)束神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，否則轉(zhuǎn)回步驟3.

4、結(jié)論

    橋梁健康監(jiān)測(cè)研究涉及振動(dòng)理論、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)辨識(shí)理論、信號(hào)分析處理、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)、隨機(jī)過(guò)程和可靠度等多門學(xué)科，是一個(gè)系統(tǒng)工程。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的積極探索，人們己經(jīng)取得了許多成果。但是由于橋梁結(jié)構(gòu)受到許多不確定因素和復(fù)雜工作環(huán)境的影響，以及對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，還存在著如下問(wèn)題：缺乏有效的傳感器最優(yōu)布點(diǎn)算法；橋梁的狀態(tài)評(píng)估缺乏統(tǒng)一有效的綜合指標(biāo)等。

    因此，目前所取得的成就和研究還處于基礎(chǔ)性探索階段，距離實(shí)用性的系統(tǒng)目標(biāo)尚有較大的差距。需要新的理論突破及現(xiàn)代科技、材料、信息技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等的進(jìn)步來(lái)促進(jìn)橋梁健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)