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桥梁健康监测系统的若干问题
日期:2017-8-8 9:18:28 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心
    桥梁健康监测是近年来国际上的研究热点,国内十多座大型桥梁已经或者将要配置安全监测系统。桥梁健康监测系统是一个多学科、多组成、多功能的系统,以桥梁检测/监测为基础,辅以信号处理、结构分析、损伤识别、可靠性评估等多种手段,对结构进行健康与安全评估,达到安全预警的目标。 
    一般来说,桥梁健康监测系统主要由监测系统和评估系统组成,具体到一个实际实施的桥梁健康监测系统,涉及的内容有很多,如系统规模、系统测试参数、系统集成等等,这些问题都涉及桥梁健康监测系统是否能很好地建成,建成后系统是否能够很好地维持,系统能否很好地使用并且为桥梁的安全评估服务。

    本文基于目前国内实际监测系统的发展现状,研究了桥梁健康监测系统的定位问题,重点分析了现有系统存在的一些具体问题,并提出了部分对策,最后探讨了桥梁健康与安全系统发展的趋势。

    桥梁健康监测系统的定位

    在目前已有的桥梁结构健康监测系统中,多数为独立建立的健康监测系统,没有综合考虑桥梁养护管理系统,没有预留相关的接口,导致健康监测系统游离于日常的桥梁管理之外,不能真正发挥作用。

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    图1给出了一个综合考虑桥梁健康监测系统和养护管理系统的综合管理框图。

    按照此框图,综合考虑二者的特点,发挥不同场合中的优点,真正做到健康监测服务于桥梁的养护管理。

    现有系统存在的问题

     桥梁健康监测系统一般安装于重要的独立大桥或者健康等级较低具有一定危险性的桥梁,是桥梁养护管理的有效补充 。通过桥梁健康监测系统可以实时地监测结构的响应,当桥梁状况超过预警值或者发生意外(如船只撞击、车辆撞击或者地震等)导致桥梁出现问题时,可以及时地将相关情况提供给桥梁管理者,以便管理者决策。

    目前已有的桥梁结构健康监测系统在系统总体规划和监测及诊断水平上均存在某些不足。

    1 系统总体规划的不足

    (1)缺乏有效实用的优化算法,造成测点数量巨大,系统规模过大,导致数据量大、信息大量冗余。

    在目前已有的桥梁结构健康监测系统中,存在监测项目种类不足的问题,而个别监测项目规模又过于庞大,尤其在对监测数据的管理方面,还没有形成一个较为完善的数据存储与管理查询系统,大量的监测数据得不到妥善的处理和利用。

    (2)缺乏对结构性能改变敏感参数的有效研究。近10年来,桥梁结构健康监测理论的研究主要集中在结构整体性和损伤识别上,随着基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域得到深入的研究和广泛运用,桥梁工程技术人员正在致力于将这一技术移植到桥梁结构上,并对这一技术在桥梁结构上的应用问题开展了广泛的研究,尽管某些整体性评估技术已在一些简单的结构上成功应用,但还不能可靠地应用于大型复杂结构。究其原因主要是由于:① 结构与环境中的不确定性和非结构因素的影响;② 测量信息不完备;③测试手段的局限性;④测量精度不足和测量信号噪声干扰;⑤桥梁结构赘余度大,且测量信号对结构损伤不敏感等所致。

    (3)桥梁监测系统缺乏规范性指导原则。目前对大跨度桥梁的安全评估基本上仍沿袭常规中小跨径桥梁的定级评估方法。它是一种围绕桥梁结构的外观状态和正常使用性能进行的定性和初经验的安全评价,急需制定针对性强的标准和评价系统。

    (4)监控系统与管理系统未能实现无缝连接。对于大跨桥梁这一复杂的结构系统,如何把桥梁结构局部健康检测与桥梁整体健康检测技术进行综合运用、实现监测数据采集的实时化与自动化,以及如何合理利用监测数据进行桥梁结构健康与安全状态的综合评价,已成为桥梁工程界研究的热点。

    (5)结构安全评价系统研究多基于理论范畴,缺少工程实用性的研究。在桥梁健康监测系统使用方面,还有一个重要的问题,那就是桥梁安全预警值设置的问题。目前所能做到的就是针对每座桥梁进行分析,通过理论计算、荷载试验以及长期观测的数据,缺少实用性的研究。
    2 技术层面的不足

    从现有桥梁结构健康监测及诊断的研究水平来看,在技术层面上也有许多问题。

    (1)传感器的优化布设是桥梁结构健康监测和诊断中的一个重要问题,应该做到使用尽量少的传感器获取尽可能多的结构健康信息。

    (2)开发适合桥梁结构检测的专用传感器是桥梁检测问题中的关键。测量仪器的精度不够以及效率低是困扰桥梁检测的一大难题。

    有待深入研究的工作根据大量的调研及部分实际桥梁的实践,目前桥梁健康与安全检测系统应该从如下方面进行进一步的研究。

    1 系统分阶段实施研究

    桥梁健康监测系统自身也有使用期及寿命的问题,而且由于系统大多使用电子设备,在恶劣环境中损坏的可能性更大,因此可以根据桥梁的实际情况采取分阶段实施的方案,这样不仅可以节省费用,还可以延长系统使用周期。

    对于新建桥梁,其建成初期结构安全状况大多良好,此时建立健康监测系统主要是为桥梁积累重要的原始数据以及监测突发性事故(地震、撞击等)下结构的响应,因此只需在关键部位布设测试点即可;后续等桥梁结构质量衰退,出现部分病害后再根据实际情况进行针对性监测。这种分阶段实施既可保证监测系统发挥其应有的作用,保证关键部位数据的延续性,也可减少不必要的投入。

    具体哪些参数可以分阶段实施,哪些部位可分批监测,则需要根据不同的桥梁结构形式、桥梁工作环境进行分析后得出。

    2损伤诊断技术研究

    桥梁健康监测与状态评估系统的研究尚处于基础性的探索阶段,在目前的技术水平下,动力与静力识别法各具特色,将2种方法有机结合起来不失为一种解决问题的途径。基于振动的大跨度桥梁损伤诊断技术需进~ 步研究的方向包括:① 系统误差及不确定性因素对结果产生的负面影响的对策;②桥梁子结构法在损伤诊断中的应用;③ 发展新动力指纹;④进一步发展桥梁模态运营状态的测试与识别技术。

    3 测试项目及测点优化

    目前的桥梁健康监测系统缺乏有效的传感器优化布设算法。尽管此问题在轨道航天器的动态控制与系统认识中得到了广泛研究,但是桥梁模态试验中的应用还存在不少的难点,如怎样在含噪声的环境中,利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结构参数信息;怎样获得对模态参数变化最为敏感的时程记录;怎样通过添加传感器能对感兴趣的部分模态进行数据采集,从而使测得的模态能够与模型分析的结构建立对应关系。 
    总之,桥梁的状态检测以及损伤识别,需要考虑的因素就不能仅仅局限于某一方面了,也应该从多方面进行分析。目前桥梁健康监测系统还处在发展阶段,最终发展成熟还任重道远。 

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