橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)若干理論的思考

摘 要：橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。結(jié)合橋梁健康監(jiān)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(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞：橋梁；健康監(jiān)測；概念；意義

1 橋梁健康監(jiān)測新概念

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)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)營的物理與力學(xué)狀態(tài)。

（2）橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)。

（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性。

（4）大橋所處環(huán)境條件等。

由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）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)測結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)預(yù)測橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x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(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)功能要求和成本效益分析可以將監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設(shè)施。因此，功能要求和效益-成本分析是設(shè)計(jì)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準(zhǔn)則。

2.2 監(jiān)測項(xiàng)目

不同的功能目標(biāo)所要求的監(jiān)測項(xiàng)目不盡相同。從目前橋梁工程的發(fā)展?fàn)顩r看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進(jìn)行深入研究或論證。 

（1）抗風(fēng)方面：包括風(fēng)場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)場中的行為以及抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（2）抗震方面：包括研究各種場地地面運(yùn)動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應(yīng)、多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響等。通過對(duì)墩頂與墩底應(yīng)變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復(fù)力模型對(duì)橋梁的抗震分析具有重要的意義。

（3）結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對(duì)于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評(píng)估方法非常重要。

（4）結(jié)構(gòu)局部問題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機(jī)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(jī)制等也值得進(jìn)一步觀察研究。

（5）耐久性問題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

3 橋梁健康監(jiān)測意義

（1）監(jiān)控與評(píng)估。

橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對(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)。為此，監(jiān)測系統(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結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；④工程所處環(huán)境條件等。

（2）設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

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)階段安全掌握和預(yù)測其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此，通過橋梁健康檢測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來檢驗(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，而且有益于新的設(shè)計(jì)理論的形成。

（3）研究與發(fā)展。

橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室。由于運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。