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结构健康监测系统在大型桥梁运营养护与安全管理中的应用

2017-07-05徐一旻

武汉理工大学学报(信息与管理工程版) 2017年3期
关键词:线形受力荷载

徐一旻,李 盛

(武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室,湖北 武汉 430070)



结构健康监测系统在大型桥梁运营养护与安全管理中的应用

徐一旻,李 盛

(武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室,湖北 武汉 430070)

分析了目前大型桥梁运营养护与安全管理的现状与存在的问题;阐述了结构健康监测系统的功能与优势;结合桥梁结构健康监测系统实际应用案例,从管理的科学性、精细化、趋势性、实时性4个方面,分析了其在大型桥梁运营养护与安全管理中发挥的重要作用,以及其对桥梁安全经济运行的重要意义。

桥梁工程;安全管理;结构健康监测;光纤传感

大型桥梁是交通运输系统中的枢纽工程,其设计使用期限一般为100年甚至更长。在其整个生命周期内,不可避免地会受到环境侵蚀(腐蚀)、材料老化(疲劳)等多种因素的长期缓慢叠加影响,加上自然灾害(如地震、洪水)、船只碰撞以及日益增加的荷载等因素的共同作用,从而导致桥梁结构损伤积累和抗力衰减,最终造成其正常使用能力下降,抵抗自然灾害能力减弱,极端情况下还会引发大型桥梁的突然性垮塌[1]。为了保障大型桥梁的安全运营,防患于未然,避免发生灾难性安全事故,行业主管部门陆续出台相关管理规范,要求定期对桥梁结构进行巡检(检测),对桥梁技术状况和承载能力进行评定[2-3],用以评估大型桥梁结构的安全服役状况。但是,这些制度化的人工巡检(检测)与定期评估手段能检测的参量有限,而且数据结果不连续,造成大型桥梁安全管理仍然大多停留在经验型管理,难以满足现代大型桥梁安全管理的“实时、高效、科学、全面”的总体要求。而近些年受到广泛关注并得到快速发展的桥梁结构健康监测系统[4-6],采用了光纤传感在线监测、智能信息处理、结构实时监测与预警、状态识别与损伤评估等技术,将有望成为保证大型桥梁可靠性、耐久性、承载能力以及安全运营的重要手段,为制订科学合理的养护维修计划提供依据和指导,在突发极端事件、服役状况严重异常时提供预警,显著提升大型桥梁安全运营与管理的水平与能力。

为此,笔者对大型桥梁安全管理的现状进行分析,指出了大型桥梁生命周期内安全管理与养护所面临的问题,并结合基于桥梁健康监测系统的应用实例,分析其在实时性、精细化及趋势化方面对大型桥梁安全管理与科学养护的指导作用与意义。

1 大型桥梁运营养护与安全管理现状

桥梁建造、运营管理、养护维修的全部过程构成了桥梁的生命周期。由于设计理念、施工机具、基础材料工艺的不断进步,现代大型桥梁向跨度更大、结构更轻柔、功能更复杂的方向发展。然而,大型桥梁生命周期长,结构工程复杂庞大,在桥梁规划、设计、建造、运营、养护等过程中面临众多不确定因素影响,而这些影响因素不可避免地会导致桥梁产生各类缺陷、损伤或病害,极端情况下甚至发生垮塌事故,因此,大型桥梁的运营养护与安全管理至关重要[7-8]。

我国是一个桥梁大国,特别是20世纪90年代,我国桥梁进入了一个高速建设阶段,尤其是大型桥梁的规划能力、设计水平与建造技术等均取得了显著成就和丰富经验。但是,与此同时,我国大部分桥梁的运营养护与安全管理均处于起步阶段:①不论是日常巡检还是定期检测,相关数据均是离散的、有限的,导致对既有桥梁的运营养护与安全管理只能是根据经验周期采集数据进而开展分析决策,无法及时探明特殊情况并做出快速响应;②现有检测手段虽然可提供如索力等众多反映桥梁结构安全的指标状态,但是检测结果还难以指导诸如养护维修计划编制及资金合理划拨等精细化、科学化管理养护工作的开展;③由于上述基础数据在指标上的离散性,时间上的不连续性,有时甚至是突发应急采集的检测数据,因此难以建立起能够反映大型桥梁结构运营安全的基础数据库,在实际管理中更难以开展趋势性分析与预警;④对桥梁运营养护与安全管理单位而言,随着所管辖桥梁的逐年增多,上述问题日益突出,偏于制度化的经验性桥梁运营养护与安全管理模式已经难以适应当代以信息化为手段,以实时性、精细化、趋势预警为目标来保障大型桥梁运营养护与安全管理“实时、高效、科学、全面”的总体要求。因此,经常会出现“重建轻养”的情况,养护管理不到位、不得法,出问题后才被动地进行检测维修加固,造成了极大的资源浪费和不良的社会影响[7]。

2 结构健康监测系统及其在大型桥梁运营养护与安全管理中的作用

桥梁结构健康监测系统与常规人工巡检及定期检测技术不同,其主要通过在桥梁现场敷设各类传感器,采集反映桥梁运营状态的各类监测指标,达到实时监测大型桥梁关键荷载(风、雨、地震、车辆荷载等)和结构响应(线形、变形、位移、应力、振动、索力等)的变化,经计算机网络设备完成数据的传输、分析与存储,并依据桥梁专家系统策略来实时、自动化地评价监测指标是否正常及桥梁结构的整体状态[8]。以斜拉桥[9]为例,其典型的几个指标主要包括:

(1)斜拉索索力。斜拉索是斜拉桥结构的重要承载构件,索力是否合适直接影响梁、塔结构的受力安全及桥面行车的舒适性。由于成桥后往往会在索端加装减振器,因此,施工期通过油压表[10]标定的频率法[11]边界条件往往无法用于运营期索力绝对量的测试,绝对测量手段只能依赖施工期的油压表读数。斜拉索的安全管理除常规的人工巡检缆索聚乙烯护套、锚头锈蚀等[12],更需要长期对索力的合理工作状态进行在线监测。

(2)车辆荷载。城市交通运输车辆的急剧增加使许多跨江大桥处于长时间的超负荷运转,如武汉长江二桥原设计日通车能力5万辆,目前实际日通车最高达到15万辆,为确保大桥运营安全,出台了重载车限载要求[13]。此外,为了分流减负,ETC管理系统[14]也被首次应用到城市桥梁运营管理中。然而,从车辆轴重的力学影响角度来看,少量超限重车的影响远大于多辆普通小车对桥梁的危害,原因在于桥梁结构不仅要承受超限重车的静态荷载,还要承受其行驶过程中产生的动态荷载。因此,需要有更为详实的车流、荷载统计数据作为安全管理依据。

(3)桥梁线形。桥梁线形作为桥梁结构的响应量更直观地反映出桥梁性能的退化情况和工作状况(受力、裂缝、预应力损失、材料退化、刚度退化等均引起线形改变),而且以桥梁线形为基础参量的监测数据分析,理解起来更为直观、方便。目前针对桥梁线形有多种检测方法[15],但均是基于离散点的测量,且测试成本高、周期长,部分方法测试还需要封桥检测,不利于运营管理部门对桥梁线形状态的多期、快速、连续检测。

(4)结构受力。大型桥梁结构复杂,结构部件及材料类型多,由于延性结构设计考虑了一定的安全系数,因此,大型桥梁结构在投入运营过程中,其结构应变一般是在阈值范围内缓慢变化发展。设计寿命100年的大型桥梁结构更需要建立结构应变/温度场的长期监测数据库,只有长期稳定可靠的应变/温度场数据,才能对桥梁结构的隐患发展提供量化预警指导,对关键截面的安全管理做到有据可循。

结构健康监测系统的优势主要有:①能够对反映桥梁运营状态的各类参量实现连续自动化数据采集,从而实现实时在线监测;②能够提供反映桥梁结构状态的丰富的细节性监测信息;③能够为探明结构潜在发展趋势与规律建立相应的监测数据库。基于上述优势,其在桥梁运营维护与安全管理中能够发挥如下重要作用:①监测的实时性可保证运维与安全管理评价的及时性;②丰富的细节性信息为精细化、科学化养护与安全管理提供量化数据支持;③监测数据库则能够为趋势预警提供了可能性。

总而言之,桥梁结构健康监测系统与常规人工巡检及定期检测的有机结合,将能够为大型桥梁的养护、维修、加固与安全管理提供精细化、科学化依据和指导,提高管理养护效率;也将能够为大型桥梁在极端气象条件、突发交通荷载状况以及桥梁运行状况严重异常时,快速及时预警、报警,最大限度地降低桥梁运营风险、公共财产损伤与人员伤亡。

3 结构健康监测系统的大型桥梁运营养护与安全管理案例

(1)科学化管养。实时性管理能够有效发现桥梁结构的早期病害,并及时安排处置维修。如前所述,斜拉索是斜拉桥的重要承载部件,为保障大型桥梁的百年设计寿命,当斜拉索在运营期内出现钢丝锈蚀断裂,锚固端松弛,引起桥梁结构运营安全时,需要对缆索进行更换。对于换索时机、换索规模的选择,以往处理方式主要参考定期检测结果及工程中斜拉索平均20年换索周期的经验估计。由此可见,该管理方式对换索时机的选择明显存在滞后性,且由于不知晓缆索从生产、安装施工直至运营期的实际受力变化情况,对换索对象及数量的选择具有盲目性,不经济、不科学。

要解决这个问题,就必须要掌握斜拉索的全寿命受力状态。以荆岳大桥结构健康监测系统为例,大应变光纤传感器在缆索的生产制备过程中被植入缆索内部,形成了光纤传感与承载缆索一体化的智能索结构,如图1所示,该方式为跟踪斜拉索在制备、施工、运营期的索力、钢丝受力和分布提供了可能[16]。该智能索受力的实时数据可以清晰地反映缆索在运营期各时刻的受力大小及发展规律,据此实时的量化结果来决策是否换索及选择更换时机,这无疑减少了换索管理工作的盲目性,并且可以大大节约换索成本。

图1 光纤智能索

(2)精细化管理。监测数据对运营养护与安全管理固然具有科学指导意义,但实时监测数据反映出的结构总体性结论也常常掩盖潜在的安全隐患。因此,判断并分析可能的隐患,需对数据深入分析与挖掘,为精细化管理提供依据。例如,锚具将缆索固定于桥梁锚固区域,索力检测管理通常只关注索受力是否位于阈值工作范围内,往往忽视定位锚具是否发生对中偏心的情况。这导致的结果是:尽管索力值表现正常,但锚具定位偏心则极易造成偏心区域钢索与锚具间局部磨损,缆索长期在此状态下运行则存在发生钢索断裂的严重安全隐患。

因此,为避免该严重隐患事故的发生,除了关注索力外,还需关注锚具受力。以晴川桥结构健康监测系统为例,光纤测力环传感器被用于实时监测系杆力大小,监测过程中发现某根系杆监测索力值为2 368 kN,接近设计张拉极限值,但传感器弹性体环向测力元件存在明显受力不均现象,如图2所示。现场复核结果表明锚具确实存在严重的定位对中偏心现象,且偏心侧已对系杆钢索产生磨损。可见该系统为精细化管理提供了有力依据,及时消除了锚具偏心磨损钢索的安全隐患。

图2 光纤测力环弹性体环向测力元件感测系杆力分布

(3)趋势性管理。除地震、船撞等偶然荷载作用外,大型桥梁结构性能的衰退过程一般发展缓慢。定期地对结构参量进行检测可以掌握其距危险预警限值的距离,但由于信息量离散有限,不可能探明指标参量或相关指标间的变化规律。因此,运营养护与安全管理十分被动,开展预警预案管理工作困难。

结构变形指标包含位移、倾角、线形等,而对于大型桥梁结构而言,桥面线形又是结构变形的关键指标,尤其是连续线形的获取不仅可用于评估行车舒适性,而且可以反映桥梁结构的整体刚度状态,是大型桥梁结构运营养护与安全管理所必须把握的关键核心参量。某跨长江大桥的线形测量数据如图3所示,可以看出,该桥梁结构在2008年测量的线形相对于2000年成桥时的线形而言出现了约1 m的跨中下挠,以该信息作为参考依据之一,管理部门对该桥进行了加固维修;2013年,采用光纤桥梁快速线形检测技术,对维修加固之后的桥梁线型进行了测量,数据表明该桥整体线形有所上抬,跨中挠度抬高了约67 cm,尽管线形未完全恢复至成桥状态,但整体线形的抬高表明结构加固起到了应有的效果。

图3 某跨长江大桥多期线形测试序列

图4 斜拉索索力监测数据典型曲线

斜拉桥是否安全既需要把握单根索的受力发展,同时也需要把握整个扇面不同斜拉索的同期受力状态,斜拉索索力监测数据典型曲线如图4所示。对于单根索需要了解其受力发展趋势是否平稳;对于监测的全体索则需要了解其在任意状态下相对基准状态值的整体变化情况。从图4(a)单一斜拉索受力发展可以看出,单根索在半年时间内,索力时程稳定在阈值范围内平缓变化;从图4(b)斜拉索整体受力状态的任意时刻柱状图可以看到,其相对基准状态值无较大偏差波动。这直观说明了斜拉索整体处于安全状态,该监测值为斜拉索安全管理提供了量化依据。若单一索力时程发展超出上下限阈值范围或有接近阈值的发展趋势,即说明该索存在安全隐患;斜拉索整体受力状态中,若局部索力值偏离基准状态,则需对该索及附近临近索进行安全隐患排查。

(4)实时性管理。以交通荷载为例来说明实时性管理。交通荷载安全管理主要需整理桥梁各级轴重车辆在统计时间区间内的车辆数,以获得该大型桥梁结构的实际交通荷载谱,分析该荷载谱与桥梁设计荷载谱之间的差异,并开展与其他监测指标之间的相关分析。指导交通荷载安全管理的典型数据如图5和图6所示。

图5 单侧行车向月车辆荷载谱(往南)

图6 双向大于限载车辆每日分时统计

由图5可以清晰地看出该座大桥通行车辆荷载分布具有明显的规律,主要车辆荷载分布集中于10~20 t之间,且每月20~30 t荷载的车辆数较为稳定。图6则是针对限载超过通行规定车辆的每日分时统计结果,可以看出,该桥南北向超限车辆数量有显著差异,且过桥超限车辆通常集中发生在凌晨期间由北往南方向车道。实际车辆荷载谱可真实反映桥梁结构的交通荷载及受力情况,可助力于有针对性地制定车辆超限规定和指导实施交通荷载超限的安全监管。

除了交通荷载外,大型桥梁的运营养护与安全管理还需要获得桥梁结构的内力分布、局部结构及联结处在各种载荷下的响应,这样才能够为结构损伤识别、剩余寿命评估和结构状态评估提供依据。因此,一般来讲,一个完整的桥梁结构健康系统需要对桥梁结构控制截面、重点部位的内力进行实时监测。正常运营情况下同一截面多个法向应变测点的连续工作时程曲线如图7所示,各测点均呈正弦曲线变化,仅由于安装位置的差异而在峰值有所区别。若某点出现与其他测点显著不同的变化趋势,在排除设备故障后则可判断该测点处结构存有潜在安全隐患。成桥荷载试验时程曲线如图8所示,短期监测结果也可用于帮助判别桥梁结构受力的合理性,在车辆加载处,结构正常工作时,梁截面顶、底板法向测点将呈现相反向的加、卸载台阶变化趋势,而横向测点则基本不受荷载作用影响;若加载时台阶变化趋势不明显或与设计值变化相距较远,在排除设备故障后则可初步判断该截面测点附近可能有裂缝病害。

图7 正常运营情况应变时程变化

图8 逐级加载情况应变时程变化

4 结论

大型桥梁的运营养护与安全管理是一项高度综合、极为复杂的系统工程,其目的是保障大型桥梁结构的安全性、完整性、适用性与耐久性。精细化、科学化的运营养护与安全管理离不开丰富量化的数据支撑,桥梁结构健康监测技术经过多年发展应用,采用先进的传感监测技术和智能信息处理技术,结合仍处于不断发展中的桥梁结构损伤识别方法和安全性评估分析理论,逐渐成为大型桥梁安全管理不可或缺的服务平台,并在大型桥梁的安全管理中发挥着越来越重要的作用,对于保证大型桥梁的结构安全、及时掌握桥梁结构状况、发现桥梁早期病害、制定合理的养护维修计划、实现安全经济运行具有重要意义。

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XU Yimin:Prof.; The Optical Fiber Sensing Technology National Engineering Laboratory,WUT,Wuhan 430070, China.

Application of the Structural Health Monitoring System on Large-span Bridge Operation, Maintenance and Safety Management

XU Yimin, Li Sheng

In this paper, the current situation and existing issues of the large-span bridge operation, maintenance and safety management were reviewed; the functions and advantages of the structural health monitoring system (SHM) for large-span bridge online monitoring were summarized; based on the deployed engineering case, the bridge SHM system's characteristics were analyzed such as reasonable maintenance, refined operation management, bridge structure status trend, real time safety management; the bridge SHM system would provide an effective way for improving the comprehensive ability and economic efficiency for large-span bridge operation, maintenance and safety management.

bridge engineering; safety management; structural health monitoring; optical fiber sensing

2095-3852(2017)03-0254-05

A

2016-12-12.

徐一旻(1968-),女,福建泉州人,武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室教授,博士,主要研究方向为公共安全与应急管理、工程项目管理、企业风险管理.

U446.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.03.003

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