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传统思维的桥梁监测法与非传统思维的桥梁监测法的区别
日期:2017-8-10 9:35:35 作者:佚名 来源:本站原创
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近年来,受惠于经济的快速发展,各式各样的桥梁如雨后春笋般矗立在大江南北的各个角落。不论是在沿海或内陆,都可以看到蜿蜒的道路穿梭于起伏的大地之上,如彩带一般,编织出一张美丽的路网。在这路网之上,桥梁是节点也是地标,关系着整个路网的有效运行。因此,如何维护桥梁的健康安全、确保整个路网的有效运行,便成了当前土木工程界的重要课题之一,这也是近年来,有关桥梁的监测研究在国内逐渐蔚为风潮的原因。

传统桥梁监测法

所谓传统的桥梁监测法,就是直接从桥梁的响应获取桥梁的讯息。因为所有的传感器都是直接安装在桥体上,所以也被称作直接量测法。笔者1993年主持的台北圆山高架桥动力及静力特性之监测及分析项目,即是典型的一例。凡是到过台北的朋友应该都看到过这座高架桥,它坐落在圆山饭店前,与第一高速公路平行,犹如两条蛟龙,跨越淡水河,从圆山饭店前穿梭而过,成为北台湾最为繁忙的交通要道之一。这座高架桥系统由多个混凝土预力桥单元所组成,每个单元由3~5跨不等,跨距短者70m,长者达175m,这也是当时台湾此类桥型中跨距最长的。
圆山高架桥动力监测的研究主题包括:桥体微动测试、桥体受地震力动力分析、桥体受车辆载重动力分析、桥体与土壤互制作用等。在静力监测方面的重点则是:桥体在环境温度变化下的力学行为、以量测结果验证结构之力学行为、混凝土之长期潜变与干缩效应,以及预力混凝土之长期力学行为等。
为了达成上述动力与静力监测的需求,我们安装了为数不少的地震计、动态钢筋计、水压计、混凝土应变计、静态钢筋计、倾斜计、位移计、液压式沉陷计、混凝土温度计等。
    根据笔者20余年在桥梁直接量测方面的工作经验,得出以下总结:直接量测法基本上是一桥一系统,须在桥梁上布设各种传感器、传输线(或无线讯号收发器)及资料搜集器等,建置成本高、耗费人力、不具备移动性。虽然这种方法可以全时掌握桥梁的信息,并且理论上可长期监测某座桥梁。但是,传感器毕竟是有寿命的,维护不易,且电子设备也会逐年老旧,慢慢被淘汰。此外,一般的桥梁多在野外,环境温度、湿度变化剧烈;如果桥梁位于海边,还会受到盐害的影响。因此,如果想要一个监测系统持续工作20年以上,必须持续投入大量的人力和物力,否则将难以实现。即便如此,这样的系统还存在海量资料难以处理,仅能量测桥梁上有限的传感器安装点上的信息等问题。

非传统桥梁监测法

笔者及研究团队于1990年起,为顺应当时台湾高铁建设之需要,着手进行了车桥互制行为的研究。早年的研究以高速铁路的车辆响应为重点,包括乘客舒适度等。后来,有感于传统桥梁监测法所面临的种种困难,便在2004年提出《以移动车辆量测桥梁振频》的非传统量测法,或称之为间接量测法,这在世界范围内属首创。自此,世界各国学者风起云涌,不仅将此法运用于桥频的攫取,也将它应用到桥梁模态及其他动态参数的识别,甚至延伸至桥梁损伤的侦测。
间接量测法的概念很简单:它是利用一单轴的量测车,在上面安置一垂直向的地震仪,并将地震仪连接至一安置于拖车内的资料搜集器;然后,令拖车以定速通过所欲量测的桥梁,并在过程中记录地震仪的响应;最后,将地震仪所获得的加速度历时振动记录,通过适当的数学转换程序,即可分析出桥梁的动态特性,诸如频率和模态等

 

 

 

此处是以一悬浮质量来模拟单轴的量测车。由于量测车的质量和桥梁相比,可谓极其微小,因此在车与桥的耦合系统中,可将量测车视为子系统,而将桥梁视为母系统。当子系统通过桥梁时,其振动源完全来自母系统的垂向振动,根据子母系统的动力学原理,子系统的振动内涵,除了自身振动频率外,悉将由母系统的频率所掌控。
由上述说明可知,当量测车以定速通过桥梁时,其垂向振动因车桥耦合的关系,除自身振频外,将完全由桥梁的垂向振频所控制,因此我们只要记录量测车(即悬浮质量)通过桥梁时的振动历程,并作适当的数学转换处理,即可获得桥梁(振动源)相关的动态特性,包括频率和模态等。此法不仅在理论上被证实为可行,在现场实验中也曾被成功地加以印证。

桥梁间接量测法的潜在优势

桥梁间接量测法就如同在医院里做扫描,或者请中医把脉一样,它不是无时无刻的全身体检,而是通过定期、适时的监测来量取所需的桥梁动态参数,并以此来判断桥梁是否健康。这似乎是比较明智的做法,因为它基本上不会出现资料海量的问题。
桥梁间接量测法的最大优点就是具备可移动性、机动性强,每次量测所需的时间很短、人力相对较少,并且可来回重复量测。
因为不是一桥一系统,故不须在桥梁上布设感应子与仪器设备,可省下初期建置所需的人力和物力,也避开了传统监测系统长期维护所面临的难题。
传统量测法仅能量测到感应子安装的点位,这是有限的、不连续的点,但却是同步的。相对的,移动量测车可接触到桥跨中的每一点,所以空间信息较为充分,可攫取的总体信息也比较多。唯一的问题是,每个点位量取的时刻不一样,属于非同步攫取,因此需要较为高深的数学转换。
另一方面,量测车的成本极低,跟一个固定式的桥梁监测系统相比,其成本相差一至两个量级。目前因处研发阶段,还有实用上的困难需要克服,我们最终的目标是建立优化的量测车设计准则,以普及到桥梁工程界使用。
很明显,量测车因具备移动性,适用于大范围内众多桥梁的定期、长期监测,也适用于多数桥梁的灾后及时检测。目前,国内外的研究趋势是将此技术延伸到桥梁的损伤检测。

桥梁间接量测法还需完善

工欲善其事,必先利其器。整个间接量测法的核心课题,就是建立一部性能良好、能够充分反应桥梁动力特性的量测车。这里要考量的因素包括:量测车的操作速度、重量、阻尼、稳定度、轮胎材质、连接杆等。为便于实际应用,可能需要针对不同的桥型,如梁型桥、斜拉桥、吊桥、桁架桥、拱桥、钢桥、混凝土桥等,开发出性能范围不同的量测车。
在过去桥梁的现场量测实验中,我们发现路面的粗糙度是一个重要的影响因素。过大的粗糙度如同“白噪声”一般,会激荡量测车自身的响应,对其振动历时造成污染,使得子系统(量测车)自身的幅值过大,遮掩了母系统(桥梁)的动态特性,并因此而降低桥频的识别能力。针对此点,我们正在努力研发出适用的滤噪软件,以排除粗糙度的影响。

解决门道在于软硬兼施

本文介绍了当前桥梁最新的量测法,也就是以移动车辆量测桥梁振动特性的方法。此法是笔者及研究团队于2004年首创,目前已成为国内外热门的研究课题。根据目前的资料,除中国的大陆、港台地区外,其他各国也都有学者在进行后续的研究,如美国、日本、韩国、英国、爱尔兰、澳大利亚、捷克、智利、希腊、丹麦、印度、塞浦路斯、越南等。
    综上所述,桥梁间接量测法若要成功,就必须软硬兼施。在硬的方面,则是量测车性能的优化;在软的方面,就是防噪软件的开发。当两者都到位,这个技术就可广泛的派上用场了。
(作者系中国工程院院士、重庆大学土木学院荣誉院长、台湾大学土木系名誉教授)


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