把好橋梁結(jié)構(gòu)“平安脈”

文

在第十屆國際纜索承重橋梁運營機構(gòu)會議舉辦期間，筆者有幸采訪了蘇交科集團股份有限公司檢測研究院總工、在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室主任張宇峰，采訪內(nèi)容包括橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運用現(xiàn)狀、重要性分析、存在問題等。現(xiàn)摘編部分內(nèi)容，供高速公路行業(yè)同仁借鑒參考。

養(yǎng)護單位正在對“江西公路第一橋”鄱陽湖大橋進行安全性監(jiān)測。余玉華 攝

鏈接：【專家簡介】張宇峰

張宇峰，工學(xué)博士，研究員級高級工程師，蘇交科集團股份有限公司檢測研究院總工，在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室主任。主要從事橋梁施工控制、檢測、健康監(jiān)測與狀態(tài)評估等科研工作，主持了蘇通長江公路大橋、馬鞍山長江公路大橋等70余座大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實施工作，50余座大橋的施工監(jiān)測監(jiān)控工作，數(shù)百座橋梁的檢測、試驗、評價、加固與維修工作。

【受訪者單位簡介】蘇交科集團股份有限公司

蘇交科集團股份有限公司成立于1978年，是國內(nèi)首家上市的工程咨詢企業(yè)，也是目前中國民營企業(yè)唯一入選“國際工程設(shè)計公司225強”“全球工程設(shè)計公司150強”雙百強榜單的企業(yè)。公司共有員工8000余人，其中，中高級人才超過30%，形成了一支包括“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領(lǐng)軍人才、享受國務(wù)院特殊津貼專家、全國百名優(yōu)秀工程師、“新世紀十百千人才工程”第一層次等高層次人才在內(nèi)、專業(yè)配置齊全、結(jié)構(gòu)合理的科研創(chuàng)新隊伍。

從碎片到系統(tǒng)，橋梁監(jiān)測不容忽視

1940年，美國塔可馬(Tacoma)懸索橋發(fā)生風毀事故后，人們逐漸意識到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性，但由于科技水平有限，早期的監(jiān)測手段比較落后，且未被很好地運用到具體工程中。直到20世紀80年代中后期，歐美一些國家開始明確提出橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新思路和概念，并先后在許多重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如丹麥的大貝爾特橋、日本的明石海峽大橋等。

20世紀90年代以后，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入高速發(fā)展階段，橋梁建設(shè)技術(shù)飛速發(fā)展，與此同時，國內(nèi)的專家學(xué)者紛紛開始進行橋梁健康監(jiān)測的研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國跨徑300米以上的斜拉橋、懸索橋中至少有140座已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，超過300座常規(guī)橋梁也已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

從采集到處理，告別人工省時省力

從本質(zhì)上看，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相當于人體的神經(jīng)感知系統(tǒng)，主要是通過在橋梁主要部位設(shè)置傳感器，然后利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳回后方計算機，最后經(jīng)過相關(guān)軟件及人工輔助分析對數(shù)據(jù)做出判斷。與傳統(tǒng)的人工檢測相比，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢顯而易見。

精準分析病害成因

眾所周知，橋梁伸縮縫裝置是橋梁中最易破損且難以維修的部位。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)可以找出常規(guī)檢測無法發(fā)現(xiàn)的病因。以江陰長江公路大橋伸縮縫修復(fù)項目為例，2003年，江陰長江公路大橋伸縮縫出現(xiàn)損壞后，管理單位在梁端安裝了標尺，并安排工作人員定期檢查，但一直未找到病害成因。2005年，江蘇省交通科學(xué)研究院有限公司（現(xiàn)蘇交科集團股份有限公司）對大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了升級改造，并在梁端安裝了拉繩式位移計，通過實時采集梁端位移數(shù)據(jù)及對比分析，最終找到了伸縮縫損害的原因。

異常事件快速報警

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以較為全面地把握橋梁建設(shè)及服役全過程的受力與損傷情況，并對地震、臺風、船撞等造成的突發(fā)性損傷進行報警，提醒相關(guān)人員及時采取措施進行處置。同時，該功能對橋梁的日常管養(yǎng)也具有重要意義，以橋面溫度監(jiān)測為例，當鋼橋面溫度臨近60攝氏度時，應(yīng)及時采取降溫措施。在傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護中，工作人員需要前往現(xiàn)場，利用溫度測槍檢測，工作環(huán)境惡劣且存在較大的安全風險。有了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)后，在辦公室就可以實時掌握橋面的溫度。

“蛙人”攜帶專業(yè)檢測設(shè)備潛入江中，為橋梁進行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體檢，為橋梁的維修、養(yǎng)護等提供重要數(shù)據(jù)。芮毅 攝

輔助常規(guī)試驗檢測

以江陰長江公路大橋運營期開展的荷載試驗為例，在此次荷載試驗中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為試驗提供了環(huán)境影響觀測，對相近的測點進行了數(shù)據(jù)檢驗，還補充了部分測點的數(shù)據(jù)，并通過連續(xù)觀測估算了變形測量誤差。與此同時，還利用荷載試驗封橋的機會，完成了對大橋主要指標的影響線測定，為大跨徑橋梁運營期狀態(tài)快速評定提供了思路。

指導(dǎo)未來橋梁設(shè)計

“我們收集了2005年到2012年15次臺風期間，江陰長江公路大橋、潤揚長江公路大橋、蘇通長江公路大橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了基于長期實測的江蘇沿海地區(qū)強臺風譜。”張宇峰說，“與通用譜相比，它具有更好的擬合性，有助于準確分析3座大跨徑索承橋在臺風作用下的損傷情況，對類似大橋的抗風設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。”

當前，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)從特大跨徑橋梁向常規(guī)橋梁拓展，可以預(yù)見，未來橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁管理中的作用會更加突出。“橋梁健康監(jiān)測是典型的跨學(xué)科工程，涉及統(tǒng)計分析、通訊、傳感、信號處理、軟件可視化與橋梁結(jié)構(gòu)等十幾個專業(yè)，因此，在構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)時要解決許多技術(shù)瓶頸。”張宇峰說。

傳感器方面

現(xiàn)在使用的傳感器在精度、穩(wěn)定性、耐久性方面已經(jīng)有很大提升，但距離工程界的期望仍有一定差距，提高傳感器使用壽命或降低傳感器價格是今后要解決的核心問題；分布式傳感技術(shù)、區(qū)域傳感技術(shù)及相應(yīng)的分析理論體系能夠解決有限傳感器數(shù)量與損傷隨機性之間的矛盾，為及時發(fā)現(xiàn)損傷、大幅降低系統(tǒng)造價提供可能，也是近期及今后的研究熱點之一。

養(yǎng)護人員正在檢測橋梁運行情況。鐘曉亮 攝

數(shù)據(jù)采集與傳輸方面

近年來，橋梁數(shù)據(jù)的采集精度快速提高，傳感與采集環(huán)節(jié)呈現(xiàn)日益集成化的趨勢，同時，通訊技術(shù)的快速發(fā)展使得健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸能力大幅提高，從當前情況來看，數(shù)據(jù)采集與傳輸方面的技術(shù)瓶頸已基本突破。如何在不大幅增加成本的前提下，提高無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性、同步性，將會成為今后重點研究的問題。

數(shù)據(jù)存儲與處理方面

隨著電子存儲技術(shù)的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)的存儲問題已經(jīng)不再是制約橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的瓶頸。但對于先進技術(shù)帶來的海量數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程和理解方式，已經(jīng)無法與在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取能力相匹配，因此，如何從源源不斷的在線數(shù)據(jù)中獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和狀態(tài)評價技術(shù)能否發(fā)揮實際作用的關(guān)鍵所在；此外，如何在高噪聲環(huán)境下分離信號，并將數(shù)據(jù)以可視化形式展示給橋梁工程師，同樣是今后必須要解決的難題。

狀態(tài)評估方面

目前，利用現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)對直接監(jiān)測構(gòu)件的評估，如在橋索上設(shè)置振動等傳感器，評估其安全性能是否良好。在間接構(gòu)件評估及多參數(shù)的全橋評估方面，很多方法已經(jīng)被理論和實驗證明，并運用到了日常評估中，但傳統(tǒng)方法抗噪聲干擾能力差，如果現(xiàn)場噪聲較大便無法正常識別，對于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、影響因素多源的橋梁檢測而言，具有非常大的影響。近年來，快速發(fā)展的人工智能與計算機仿真技術(shù)為間接構(gòu)件評估提供了強大的技術(shù)支持，未來的發(fā)展值得期待。

“為破解上述技術(shù)難題，近年來我們積極與科研院校開展合作。在分布式傳感領(lǐng)域，通過與東南大學(xué)的合作，提高了分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的采樣頻率和測量精度，構(gòu)建了區(qū)域傳感技術(shù)體系，利用傳感器就可以對裂縫、應(yīng)變、位移等進行測量，并對結(jié)構(gòu)動力特性進行計算分析，實現(xiàn)了一專多能；與中國人民解放理工大學(xué)合作開發(fā)的柔性導(dǎo)電涂料技術(shù)，可以對0.05毫米以上的裂紋進行開裂報警……”在采訪過程中，張宇峰分享了近年來團隊在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方面的探索。

舒運平 攝