公路桥隧结构区域分布传感监测技术及病变和灾变早期识别(下)

吴智深

(1.东南大学城市工程科学技术研究院,南京 211100;2.长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室,南京 211100)

1 桥隧结构的病变和灾变

桥隧结构在材料老化、环境侵蚀效应、长期荷载疲劳效应、地震、台风等病变和灾变因素的耦合作用下将不可避免地产生裂缝,断丝、腐蚀、节点磨损、超载开裂等损伤会引起结构的损伤积累和抗力衰减,从而导致其安全性能和正常使用功能的降低,甚至在未有明显征兆的情况下引发灾难性的突发事故。工程实际中常见的结构损伤主要包括以下4 种问题类型:①混凝土裂缝问题。在大跨度混凝土桥梁中,存在混凝土主梁开裂问题,一般可归结为两大原因,一是由包括设计、构造、材料和施工中的主观失察因素引起的裂缝,二是由包括超载、温度荷载、混凝土收缩和徐变等客观触发因素引起的裂缝。结构裂缝会引起钢筋黏结退化,导致结构的刚度下挠。如2004 年对美国宾夕法尼亚州州际公路I-70 连续梁桥开展了一定程度的监测项目,然而未得到裂缝及钢筋黏结退化发展至接合部导致桥梁倒塌的相关病理信息,最终桥梁却发生倒塌[1]。②钢筋腐蚀问题。钢筋混凝土结构已是一种被广泛应用的结构形式,然而由于不良的使用条件(海洋环境和工业环境)、不当的使用方法(公路和桥梁路面撒化冰盐)等的影响,钢筋锈蚀已成为混凝土结构中的普遍现象,轻则影响结构的使用性,重则降低结构的承载力,甚至导致结构失效。如2007 年日本木曾川大桥的钢桁架在多次人工检测均合格的情况下,钢斜材因锈蚀而断裂[2]。③支座变化问题。由于设计、施工、维护的不当及支座质量问题等原因,支座损坏时有发生,导致梁体不能按照正常的受力状态工作,甚至影响桥梁结构的运营安全。如2016 年发现湖北黄石阳新某立交桥支座存在严重的变形、脱空、老化、破损等桥梁支座损坏现象,导致立交桥梁底面的支座板不平、制造梁的平台基础不稳定。④冲刷问题。冲刷是桥梁基础的一种典型的损伤类型,特别是对于跨海桥梁,海洋环流引起的冲刷作用会直接危害到桥梁的安全性。在桥梁的管理养护工作中,部分存在重视上部结构、轻视下部结构的思想,且桥墩、基础等下部结构的检测养护工作也存在难以到达、手段不够丰富、病害较为隐蔽等特点,这些原因导致下部结构的养护工作比较薄弱。研究报告显示,日本的在役桥梁中35%的桥梁存在不同程度的冲刷隐患;1989 年至2000 年期间,美国500 件桥梁事故中53%是由冲刷问题造成的;2009 年爱尔兰贝尔法斯特-都柏林铁路高架桥发生事故,该桥梁遭受高速水流冲刷导致局部桥体失稳,然而定期检测未能及时发现桥梁承载力退化的问题。

上述原因导致的结构性能退化使结构自身抵抗自然灾害、正常荷载以及环境作用的能力下降,一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度,若不能被及时发现和处理,损伤将迅速蔓延,从而导致整个结构的毁坏。因此,为保障结构的安全性、完整性和耐久性,已建成使用的土木工程结构急需采用有效的手段来监测和评估其损伤程度及安全状态。

2 桥隧结构的病理分析

目前,国内外发展了大量的结构检测与监测技术,根据这些技术制定了各种检查标准和规范,并提出多种病害诊断及性能评价方法,可基本解决病状明显的病症或已处于晚期的疑难病症的结构安全监测问题。例如,美国联邦公路总署颁布了《国家桥梁检测标准》,该标准给出了检测方法并对其进行分级。再例如日本公路协会颁布了《公路隧道维持管理便览》,该便览给出了公路隧道病害的诊断方法与维护策略。在借鉴国际上桥隧结构养护的成功经验和先进技术的基础上,中华人民共和国交通运输部分别制订了《公路桥梁结构监测技术规范》(JT/T 1037—2022)和《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015),对新形势下不同结构形式的桥隧结构的监测内容做了详细规定。

桥隧结构病变和灾变的原因很多,其中有些是由于结构的设计性能不足造成的,比如由于计算分析失误导致设计安全系数过小,对结构耐久性问题认识不足以及对后期维护需求考虑不周等;有些是结构材料性能不足导致的,例如混凝土强度不足或出现早龄期水化热高、收缩大、体积稳定性差而引起混凝土开裂等问题;还有一些是由于使用荷载的不利变化造成的。随着这些因素的发展和程度的加深,最终会导致结构性能下降,形成病变。因此,需要通过检查及时发现结构病变和灾变,分析其产生的原因,评估可能产生的影响,预测后期工程结构的性能变化,并采取对症的养护措施防止微小病变和灾变进一步扩大。这样可使桥隧结构始终处于良好的服务状态,延长其使用寿命,并节约养护费用。

此外,桥隧结构从健康到发生早期病变,再出现中期加速症状,最后形成晚期破坏,这个过程需要十几年甚至几十年的时间[3]。不同阶段病变发生规律及对性能劣化的影响[3]如图1 所示,不同发展阶段具有不同的发展速率,因此需要针对早期病状不明显、中晚期发展迅猛的疑难病症制定治疗方法,才能科学有效地保障治愈率。然而,早期病状不明显、中晚期发展迅猛的疑难病症的安全监测和桥隧结构的健康长寿命管理监测是公认的难题,而且病变过程与桥隧结构的设计、施工、自然环境、运营和管理方式等因素均有高度相关性,结构的变化过程往往不易察觉。

图1 不同阶段病变发生规律及对性能劣化的影响

为了更好、更准确地研究所提出的不同阶段病变发生规律及对性能劣化的影响,将对桥隧结构典型的几种病变的产生机理及其对结构的影响进行分析。

1) 裂缝病理分析

钢筋混凝土结构病害的表现形式大多为裂缝、混凝土保护层剥落、钢筋锈蚀、断面减少、结构形变等,这些是造成混凝土结构力学性能退化的主要原因。在了解产生病变的因素、厘清病变成因的基础上,还需要对病变的产生机理进行探究,对病变的发展进行合理预测,以便开展后续维护措施。以混凝土碳化为例,混凝土碳化主要会引起内部钢筋的锈蚀。碳化引起的钢筋锈蚀及结构劣化过程可分为4 个阶段:初始阶段、发展阶段、加速阶段及劣化阶段。在初始阶段,混凝土碳化至钢筋位置,其时间长度主要取决于碳化的速度;发展阶段指钢筋起始锈蚀到混凝土表面裂缝的产生阶段,其时间长度计算依赖于钢筋的锈蚀速率以及腐蚀引起混凝土裂缝中的锈蚀物的数量;加速阶段指裂缝引起锈蚀速度的加快阶段,其时间长度计算依赖于开裂混凝土中钢筋的锈蚀速度;劣化阶段指钢筋锈蚀引起结构承载力和其他性能显著降低的阶段,其时间长度与锈蚀后结构性能的综合评估有关。由于每一阶段对应结构的某一状态,劣化预测需估计每一阶段的发展时间。了解了病变发生的机理,就能准确找到病变的本质原因,从而从病根入手进行防治。

此外,损伤监测时常用的位移计和加速度计等传感器,所测量的信号及其包含的信息(如频率),与结构损伤的相关性较弱。总的来说,当不同类型的传感器采集到大量不同的数据(如应变、温度、加速度等数据)时,较小的结构损伤不易被检测出。根据文献[4]的报告,利用加速度传感的固有频率来检测裂纹损伤,分析表明人工切割钢桥并没有如预期那样导致固有频率降低,相反,在诱发小损伤的情况下,测量到的固有频率反而有所增加。在结构严重损坏的情况下,这种频率变化仅为6.9%。如在文献[5]项目中对某实际桥梁的自振频率进行了为期一年的测试,研究结果表明,结构自振频率受温度等原因的影响弥散较大,温度的变化甚至比结构损伤对自振频率的影响更为明显。总之,利用基于加速度测量的固有频率变化作为损伤识别的手段较为困难,特别是在损伤的早期阶段。

2) 断丝病理分析

吊索(吊杆)是索承桥梁(斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等)的主要受力构件,吊索的破断是导致桥梁倒塌的直接原因。大中型桥梁健康监测系统的主要目的是通过对桥梁运营状况的监测,了解桥梁的健康状况,避免桥梁破坏或倒塌。如《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)中,在利用分层综合评定方法对桥梁各构件进行诊断时,明确提出了悬索桥、斜拉桥等索承桥梁中主缆或吊索的锈蚀和断丝问题。

桥索的断丝演变过程主要包括以下4 个阶段:①拉伸阶段。在桥索投入使用初期,桥索表现出一定的弹性,由于自重和车辆荷载等原因,桥索会产生一定程度的伸长和变形,但钢丝绳股内的钢丝并未断裂。②初期裂纹阶段。桥索在使用过程中,受到外部荷载作用,钢丝绳股内的钢丝逐渐疲劳,产生微小裂纹。该阶段的裂纹肉眼不易察觉,需要借助特殊工具进行检测。③加速裂纹阶段。随着桥索使用时间的延长,原有的裂纹逐渐扩大,并且出现了新的裂纹。该阶段桥索开始表现出明显的劣化和变形。④钢丝断裂阶段。当桥索中的钢丝达到一定的数量时,会对桥梁的安全性产生影响。当某一根钢丝断裂,桥索将失去对应的支撑能力,这会对桥梁的承载能力和稳定性产生严重影响。吊索安全性和耐久性的评估分析主要依据检测和监测两种方法。吊索的检测技术主要包括人工检测法、磁漏检测法、射线检测法、超声波检测法等。但由于受工况和使用条件的限制,目前吊索检测技术依然不能满足稳定、有效地实时掌握吊索损伤状况和变化趋势的要求。另外,在现有工程应用中,通常采用锤击激励的频率法,进而根据固有频率与索力关系估算索力。然而由于断丝造成的结构动态响应变化较小,一般动态索力测量方法仅能提供索力数值,很难提取断丝相关的有效动态参数变化信息。如2019 年中国台湾南方澳跨港大桥在经过7 次检测并诊断良好的情况下,钢绞线断丝导致大桥坍塌[6]。因此,在索承桥梁的日常维护中,需要通过定期的检测和监测,及时发现和处理桥索的断丝问题,以保障悬索桥的安全。

3) 冲刷病理分析

桥墩是桥梁结构中起支撑作用的重要构件,其稳定性和完整性对桥梁的安全运行至关重要。然而桥墩的底部容易受到河流的冲刷,导致冲刷损伤,这会严重影响桥墩的承载能力和稳定性。在冲刷作用下,桥墩基础的边界条件发生变化,进而造成桥墩基础的动力学特征值发生变化,在时间上是一个缓慢而不断累积的过程。桥墩的冲刷损伤演变过程大致可以分为4 个阶段:①初期阶段。在河流中水流速度较慢的情况下,桥墩底部会积聚沙石等杂物,随着水流的冲刷,逐渐形成小的坑洞和凹凸不平的表面。②加剧阶段。当河流的水流速度加大时,水流对桥墩底部的冲击力会增强,桥墩表面的小坑洞和凹凸不平的地方会逐渐扩大,形成更深的凹陷和沟壑,甚至会形成U 形切槽。③恶化阶段。在冲刷损伤逐渐加剧的情况下,桥墩的底部土壤逐渐被冲刷走,桥墩底部的支撑结构会暴露在水流中,导致桥墩底部的土壤丧失支撑力,桥墩可能会发生倾斜、沉降等安全问题。④破坏阶段。当冲刷损伤达到一定程度时,桥墩可能会发生倾覆、断裂等严重的安全事故,从而损害桥梁结构的完整性和行车安全。

为防止桥墩的冲刷损伤,需要在维护中注重对桥墩的稳定性和抗冲刷能力的考虑,并采取相应措施,如加强桥墩的护岸、增加桥墩底部的防冲刷装置、定期清理底部积聚的杂物等,以确保桥墩的安全、稳定运行。这就要求通过科学的冲刷监测方法,获得能够表征冲刷状态的数据,进而制定合理的维护管理策略。然而,桥墩底部的冲刷监测同样存在难点,主要包括4 个方面:①监测手段的有限性。传统的冲刷监测手段主要是人工巡视和测量,这种方法存在人力和物力消耗大、盲区多、精度低等问题,难以满足实时、高精度的监测需求。②监测数据的处理和分析。桥墩底部的冲刷监测需要采集大量的数据,并需要对这些数据进行处理和分析,以提取有用的信息,从而判断冲刷损伤的情况,这对数据处理和分析技术的要求较高。③环境干扰的影响。桥墩底部冲刷监测需要在复杂的环境中进行,如水流干扰、水深变化、水质变化等都会影响监测结果的准确性,提高监测难度。④监测结果的解读和预警。冲刷监测结果需要及时反馈给相关人员,并进行解读和预警,这需要专业的技术人员进行分析和判断,及时制定相应措施,保证桥梁结构的安全。根据结构动力学理论,固有频率、模态等动力学特征值是评价冲刷引起的结构刚度变化的重要指标。本文后续将进一步对冲刷监测中各类动态指标进行对比,以探讨适合反映冲刷变化的监测指标。

4) 滑坡病理分析

滑坡是指岩石、土壤等松散物质在地面的支持下,因自重、地下水、地震等原因而沿着一定面向下滑动的地质灾害现象。滑坡的机理和演变过程非常复杂,影响因素主要包括4 个方面:①地形因素。地形是滑坡形成的重要因素,山体的陡峭、坡度、地势起伏等都会影响滑坡的形成和发展。②岩土因素。岩土的性质对滑坡的发生和演变有重要影响。如土层的强度、饱和度、结构特性等均会影响土体的稳定性。③水文因素。地下水、降雨等因素都会影响土体的饱和度和稳定性。在降雨量大、降雨时间长的情况下,地下水位上升,土体饱和度提高,容易引起滑坡。④外力因素。地震、人类工程活动等因素也会引起滑坡的发生和演变。

滑坡主要发生在边坡土体中,由于土体内部滑动破坏了土体内部的初始应力平衡,边坡发生滑动或产生工程上不能容忍的变形量,进而会导致边坡出现滑坡灾害。滑坡的演变过程通常可以分为3 个阶段:①滑动前期。此阶段为滑动的预备期,土体逐渐受到外力和内力的影响开始变形。这个阶段的变形一般较小,该阶段一般长达数年甚至数十年,需要较为敏感的监测手段来发现其变化。②滑动加速期。该阶段土体变形加速、位移增大。这个阶段是滑坡发展的关键期,一旦发现变形加速,应及时采取措施防止滑坡进一步发展。③滑动发现阶段。土体在这个阶段已经开始滑动,速度迅速加快。这个阶段滑坡的形态开始明显,如出现裂缝、下滑面等。在时间上通常只有几天时间,一旦超过临界量,就有可能引发地质灾害。目前常见的滑坡监测一般是针对该阶段的明显滑坡,通过地表位移进行监测和预警。由于受监测技术和识别技术的限制,对于未发生滑坡变形的早期潜在滑坡问题尚难以解决。本文后续将进一步针对滑坡监测不同阶段的指标进行分析和对比,为建立适合滑坡早期监测的方案提供依据和指导。

3 桥隧结构病变和灾变早期监测的必要性

桥隧作为交通基础设施的重要组成部分,在使用过程中容易受到自然灾害、车辆荷载等因素影响,导致结构损伤,从而对使用者的生命财产造成危害。在结构性能发生退化的结构全寿命周期内,及时发现桥隧的早期损伤具有以下重要意义。

(1) 早期监测可以实时有效地捕捉工程设施的劣化过程,特别是追踪工程设施早期的微小损伤以及损伤演化过程,进而把握维护管理的最佳时机,这对设施的高效运营与维护具有重要意义[7]。例如,在长期服役环境下,桥梁可能会产生裂缝,如果在裂缝发展的早期进行处理,简单的修复即可满足桥梁的承载力要求,维护成本较低;如果当桥梁裂缝发展到中晚期再处理,需要加固甚至更换构件,大幅提高了桥梁的维护成本。

(2) 当损伤发展到中晚期,会加速破坏结构,造成不可挽回的损失。例如滑坡早期阶段可能长达十几年甚至几十年,变化量微弱;一旦进入中晚期(开始出现滑动面),短短几天就会发展成滑坡灾害,造成经济损失甚至人员伤亡。

(3) 现有的加速度技术与变形监测技术主要是解决中晚期监测问题,结构指标难以满足早期阶段监测要求,这造成大量的维护费用。例如作为点式传感器,加速度传感器的测量范围小,难以发现早期的微小裂缝,只有当结构进入发生较大变形的中晚期才可以发现。研究表明,只有对早期损伤进行有效的监测和评估,基础设施的长寿命周期安全和整体费用的最优化才能得到有效保障。

(4) 改进现有结构设计理论。通过长期监测,可以了解结构的受力情况,有针对性地改进设计,提高结构的安全性、可靠性并延长结构的使用寿命。

4 基于宏应变模态的早期损伤识别理论

4.1 宏应变模态分析理论

1) 宏应变模态原理

根据结构动力学的理论,结构的应变响应可表示成不同频率的简谐振动之和。在时刻t测量的宏应变可表示为

式中,hm为传感器到中性轴的距离;v为各自由度上的位移。

该长标距应变和作用在第p个自由度上的激励之间的FRF(frequency response function,频率响应函数)可以写成

式中,为长标距应变。

将式(2)代入式(1)中可得

式(3)可以进一步表示为

其中宏应变模态常量表示为

定义宏应变模态为

比较式(1)和式(4),得

其中下标r为第r阶模态。可以发现位移FRF和长标距应变FRF 的关系与荷载、频率独立但与空间相关。

考虑第r阶模态的长标距应变频率响应函数。由式(4)可以写成

与位移FRF 相比,长标距应变FRF 实部、虚部的模态常量不同,但是相位相同。通过长标距应变FRF和加速度FRF 的比较会发现前者在低频范围内的特征更加明显,而且其幅值随着频率衰减严重,一般不会显示较高的模态。当谐振频率比较小且ω≤1 时,长标距应变FRF 比加速度FRF 在峰值指标上更为敏感。如文献[8],对比了同一模态测试下的宏应变模态和加速度FRF 幅值谱,宏应变模态与位移模态的低频响应对比[9]如图2 所示。结果显示,宏应变模态在低频呈现了更加显著的峰值,表明宏应变测量在柔度大的结构(例如长大跨桥)监测中具有很大潜力。因此长标距应变更适合于高柔度结构,比如高层建筑和大跨桥梁的监测和模态识别。

图2 宏应变模态与位移模态的低频响应对比

2) 宏应变模态振型识别

对于宏应变FRF 矩阵,每一列反映该结构的模态应变信息,而每行代表模态位移信息。基于这一特性,宏应变模态振型拟由被选取的FRF 的峰值识别,应变振型识别方法如图3 所示。同时,位移模态形状可以从连续的应变频率响应函数中通过共轭梁法计算得出。

图3 应变振型识别方法

3) 宏应变模态向量的损伤识别理论

假定M个区域分布应变传感器以分布的方式安装在N个自由度的梁上。每个单元组成的M维的宏应变模态向量可由位移向量组合而成(包括竖向位移和转角),这需要左乘一个映射矩阵B,具体计算公式如式(9)所示。

由于对于一个给定的模态,可以忽略其幅值,仅强调所有单元的相对比例,所有宏应变频率响应函数组成一个向量,该向量表达式如式(10)所示。

式(10)被称为宏应变模态向量。大量研究表明,宏应变模态向量与结构的局部损伤有直接的一一对应关系,可以实时在线地用图形直观显示损伤的发生过程和位置。加之其分布特性,可以覆盖较大范围的结构信息,从而能有效捕捉到事先不可预知的结构损伤。以下用具体试验结果进行说明。

在移动荷载作用下梁式结构及传感器布置如图4 所示,该梁长10 m、宽0.3 m、高0.6 m,梁沿着长度方向划分为50 个单元,每个单元长度200 mm,假设梁底共布置10 个区域分布应变传感器(F1～F10),每个传感器覆盖5 个单元,即每个传感器的标距长度为1 m。通过在梁上部施加移动荷载,进行瞬态分析,提取每一个节点的转角时程响应,进而得到每个传感器的长标距应变时程响应。结构共4 种分析工况,即完好工况、单损伤工况、两损伤工况与多损伤工况。单损伤工况:传感器F6 范围内抗弯刚度折减10%、20%、30%;两损伤工况:传感器F4 和F6 范围内抗弯刚度折减10%、20%、30%;多损伤工况:传感器F4、F6、F8 范围内抗弯刚度折减10%、20%、30%。在每一种工况下施加单轴移动荷载(P=50 000 N),移动荷载的速度v=36 km/h。

图4 在移动荷载作用下梁式结构及传感器布置(单位:mm)

单损伤状态下正则化应变时程面积如图5 所示,展示了单损伤工况下F6 传感器范围内刚度分别折减10%、20%、30%时得到的正则化应变时程面积,由图5 可知,目标传感器相对于参考传感器的正则化应变时程面积只与目标传感器范围内的平均刚度相关,当F6 传感器范围内平均刚度降低时(分别降低10%、20%、30%),F6 所对应的正则化影响线面积逐渐增大(相对于完好状态),说明该方法可以进行损伤定位。同理,两损伤状态下正则化应变时程面积如图6 所示,多损伤状态下正则化应变时程面积如图7 所示,该方法可成功识别出结构的损伤位置,说明该方法不仅适用于单损伤状态,也适用于其他损伤状态。

图5 单损伤状态下正则化应变时程面积

图6 两损伤状态下正则化应变时程面积

图7 多损伤状态下正则化应变时程面积

4.2 基于宏应变模态的损伤识别原理

基于加速度测量的位移模态理论发展较为成熟,但是在应用过程中还存在诸多局限性,特别是无法有效实现对结构微小损伤的识别。基于点式应变测量的应变模态理论虽有一定发展,但远不如基于加速度测量的模态分析理论发展成熟。究其原因,传统的点式应变针对结构的局部信息,因此它不适合进行以结构宏观信息识别为目的的模态分析。反观区域分布应变传感器技术,所输出的是一定标距长度内的平均应变,它在反映结构局部信息的同时,具有能够反映结构宏观模态信息的特点。作者团队针对区域分布应变传感器技术进行了一系列关于宏应变模态理论的分析,创新性地扩展了传统的应变模态理论。区域分布应变传感器测量的是标距内的宏应变。采用这种宏应变测量方式,可避免因结构局部损伤的随机分布带来的评估误差,只要在标距内应变发生了明显的变化,传感器的测量指标就会反映变化。

1) 宏应变模态与位移模态原理对比

沿简支梁分布的宏应变模态如图8 所示,利用共轭梁原理,即原梁的位移(位移模态)等于其共轭梁在原梁的曲率作为荷载作用下的弯矩,可以得到任意点处的位移模态,相应计算公式如式(11)所示。

图8 沿简支梁分布的宏应变模态

综上所述,宏应变模态和竖向位移模态之间理论上是可以相互转换的,利用分布式长标距应变传感技术既可以得到结构的分布式宏应变模态,也可以利用得到的宏应变模态反推结构的竖向位移模态;利用高密度布置的加速度传感技术既可以得到结构的竖向位移模态,也可以利用得到的竖向位移模态反推结构的分布式宏应变模态。

2) 基于宏应变模态的损伤指标推导

经过30 年的研究,建立起基于位移模态的损伤动力识别理论,其中包括自然频率变化、振型变化、模态曲率差、模态曲率平方差、模态柔度差、模态柔度曲率差等结构损伤指标。虽然基于位移模态的损伤识别理论体系完备,但它们并不能完全满足土木工程结构损伤识别的实际需要。这是因为应用的位移模态只包含损伤的间接微弱信息,因此无法精确识别结构损伤的位置和大小。基于此,本节根据所述的宏应变模态特性,介绍相关结构损伤识别方法,特别是微小损伤识别方法。

(1) 应变模态振型曲率差:基于宏应变的模态振型曲率差表示为

(2) 应变模态振型平方差:基于宏应变的模态振型平方差表示为

式中,i和r分别是测量位置和模态的阶数;上标d为损伤结构。

(3) 应变能指标:以伯努利-欧拉梁为例,基于弯曲应变能的损伤指标可以由应变矢量、标记长度和从惯性轴到传感器位置的距离表示,相应表达式如式(15)所示。

式中,i和r分别为测量位置和模态的阶数;nm为测量的模态数。

(4) 应变柔度指标:

其中,结构柔度计算公式如式(18)所示。

上述基于宏应变模态的损伤识别指标和参考文献中基于加速度模态的损伤指标具有类似的形式,但由于宏应变和损伤具有直接的关系,因此前者将具有更加明确和有效的损伤识别效果。

3) 宏应变模态与位移模态的局部损伤敏感度对比

为验证和说明位移模态与宏应变模态对局部损伤的敏感度,通过钢梁在不同损伤工况下,对比位移模态振型以及宏应变模态的识别效果。宏应变模态与位移模态对局部损伤的敏感度对比[10]如图9 所示,由图9 可知,宏应变模态可成功识别结构的损伤位置,说明该方法不仅适用于单损伤状态,也适用于多损伤状态。反观使用位移模态振型无法精确识别损伤位置,这表明利用区域分布传感器技术得到的宏应变模态更适合应用于桥隧等大型工程,特别是早期损伤监测。

图9 宏应变模态与位移模态对局部损伤的敏感度对比

由于宏应变模态具有对局部损伤敏感的特性,国内外健康监测领域的众多知名学者已对其开展了一系列系统性研究工作。如比利时鲁汶大学的教授通过一年多的实桥宏应变监测数据,成功识别了固有频率和宏应变模态振型等模态特征[11]。此外,利用这些模态特征研究了在监测期间温度波动和桥梁加固增强的影响。结果显示,温度波动和桥梁加固都对桥梁的整体刚度有影响,因此会导致固有频率的明显变化。反观温度对桥体局部刚度没有影响,也不会造成宏应变模态振型的变化,因此可以通过宏应变模态有效地建立刚度变化与宏应变模态之间的相互关系。

4) 宏应变模态与位移模态的抗噪性对比

首先通过简支梁结构来验证基于加速度模态的损伤识别方法的损伤识别效果。用一根50 mm×20 mm×2 000 mm 的简支梁进行数值模拟,将其等分为40 个单元,简支梁模型如图10 所示。每个中间节点都有2 个自由度(竖直位移和转角位移),而2 个支撑节点仅有转角自由度。在受影响的单元用折减抗弯刚度的方法模拟损伤。假设弯矩越大的位置产生损伤的概率越大,在单元20 和单元23 上模拟10%的抗弯刚度折减,折减位于梁的中间位置;在单元10 和单元35 中模拟5%和3%的刚度损伤。

基于位移模态各类损伤指标的识别结果如图11 所示,在无噪声干扰的情况下,通过曲率模态法、应变能法、柔度差法都可以准确识别损伤的位置。然而在实际结构测试中,难免会有噪声干扰。为进一步验证各指标对噪声的抗干扰能力,在结果中加入2%噪声。由计算结果可知,基于位移模态的损伤指标均无法判断结构的损伤位置。例如根据曲率模态指标,在没有噪声干扰的情况下能够准确判断损伤位置,并且损伤位置的幅值更为明显,易于判断。但是加入2%噪声后,根据该指标就无法判断损伤位置,噪声干扰会严重影响损伤判定。同样,根据曲率平方差、柔度曲率指标,在噪声干扰下也无法判断损伤位置。由此表明,根据位移模态所衍生出的各指标,在没有噪声干扰的情况下,都可以准确识别损伤位置,但识别过程容易受噪声干扰,无法满足实际工程需求。

图11 基于位移模态各类损伤指标的识别结果

之后用同样的简支梁算例来验证基于宏应变模态的损伤识别方法的有效性。为对比宏应变在损伤识别上的优势,在结果中加入5%噪声,利用曲率模态、曲率平方差和应变能3 种损伤指标对损伤工况进行损伤判别。基于宏应变模态各类损伤指标的识别结果如图12 所示。

图12 基于宏应变模态各类损伤指标的识别结果

3 种损伤指标在5%噪声条件下针对多损伤工况仍能准确识别得出结构损伤位置。更为重要的是,损伤指标在损伤位置会有更大的突变,易于判断损伤位置,同时加入5%噪声后,对指标影响较小,由图12 可知,加入噪声的曲线与不加入噪声的曲线基本重合,进一步说明基于宏应变模态所衍生出的损伤指标具有很强的抗噪性。

5 桥隧结构早期病变和灾变监测技术方案

上文介绍了结构区域分布传感理念、适合获取宏微观信息的区域分布传感器技术以及利用区域分布传感器技术识别早期病变和灾变的宏应变模态分析方法。接下来将结合工程早期损伤需求的具体方案,对各典型病变和灾变病理、早期监测技术原理以及应用效果进行阐述。

5.1 断丝早期监测技术

1) 现有基于位移模态的断丝监测技术

目前索承桥梁拉索索力测量的方法主要有压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量法、频率法、振动波法等。与其他方法相比,频率法具有测试方便、效率较高、在线量测、成本较低、便于维护、适用于已建成桥梁等优点,成为目前索力测试的最主要方式,为索承桥梁健康监测创造条件。现有基于加速度计的拉索监测技术如图13 所示,现有频率法的主要理论依据是利用风、波浪等环境荷载以及车辆荷载对拉索进行激励,根据弦振动理论推出索力和频率之间的函数关系,通过傅里叶变换从拉索振动响应中获取拉索固有频率,进而根据固有频率和索力的关系估算索力。

图13 现有基于加速度计的拉索监测技术

但是,对索承桥梁拉索进行监测的核心问题是对拉索的损伤状态进行实时精准识别与评估,特别是在其早期损伤阶段的断丝损伤识别方面,还存在需要解决的问题:①激励荷载作用下拉索被激发的基频能量较小,易被普遍存在的环境噪声所掩盖。基于固有频率的损伤识别方法需要准确提取拉索基频,从而通过损伤前后的频移来判断拉索是否存在损伤。然而,当拉索发生局部断丝时,其引起的固有频率极其微小,容易被提取拉索基频时的误差所掩盖,不能满足有效掌握拉索损伤状况和变化趋势的要求。②将加速度计测得的时间域信号用于模态识别理论分析拉索的位移模态振型,理论上当拉索出现断丝后可以通过振型变化识别损伤。然而,单根拉索出现断丝后,拉索内部出现应力重分布,以致拉索整体的位移模态的变化不明显,特别是在断丝率小的早期,往往很难通过拉索的位移模态变化反映拉索的局部损伤。

2) 基于宏应变模态的早期断丝监测方案及实施效果

根据断丝监测的需求,可以将结构体系和运营安全风险较大的关键区域,如受力影响大的拉索以及拉索端部位置作为重点监测区域。通过在重点监测区域布设宏应变传感单元,依据宏应变模态分析识别断丝的发生。由于宏应变传感器的特点是适合提取覆盖区域的宏观及微观变形,因此采用宏应变传感器可以有效优化数据处理进程、降低监测成本。对于拉索采用分散布设的方式,考虑到边界条件可能存在变化,应采用两端边界区域端部监测单元采集的密集布设方式,根据实际尺寸,中间可适当减少布设单元。基于宏应变模态的拉索断丝早期监测技术如图14 所示。

图14 基于宏应变模态的拉索断丝早期监测技术

为对比断丝对位移模态和宏应变模态的影响,通过有限元解析发现,在断丝达到10%的情况下,拉索的固有频率依然很小,位移模态(固有频率)对于断丝监测结果如图15 所示。结合实际工程中测量误差对固有频率识别的影响,再次验证了加速度计技术等位移模态相关的监测技术并不适合断丝这类早期微小损伤的识别。宏应变模态对于断丝监测结果如图16 所示,可以明显分辨出断丝及劣化程度等关键信息。

图15 位移模态(固有频率)对于断丝监测结果

图16 宏应变模态对于断丝监测结果

5.2 支座等隐蔽损伤早期监测技术

1) 现有基于位移的隐蔽损伤监测技术

支座将上部荷载的作用力可靠地传递给桥梁墩台,并平衡各种荷载、作用产生的变形(水平位移、转角),它是桥梁上下部结构的重要传力和连接装置。结构服役过程中支座状况发生变化是一种典型的桥梁病变和灾变。在潮湿和长期荷载环境中支座容易受到腐蚀,或由于螺栓脱落等原因造成约束的改变,从而改变结构的力学性能甚至危害到桥梁的安全。另外,支座在地震中的主要功能是限制水平主梁位移并为主梁提供支承,其破坏是导致桥梁丧失承载能力的关键因素之一。我国汶川地震灾后的统计数据表明,桥梁支座破坏总数为1 092 组,占支座总数的16.6%。如何及时识别结构的支座损伤是结构健康监测领域迫切需要解决的一项工程问题。

2) 基于宏应变模态的早期监测方案及实施效果

为有效监测支座损伤,作者团队根据前述的基于宏应变模态的动力分析理论提出了支座损伤识别方法。其主要思路是通过区域分布的传感单元提取多次应变模态振型,选取某个单元作为参考单元,其他单元作为目标单元,以参考单元的应变模态振型值为横坐标、目标单元的应变模态振型值为纵坐标描出多个散点图,用直线拟合散点图,观察拟合直线的斜率变化,若两个时间段的多次采集数据得到的拟合直线斜率有明显变化,从斜率变化的规律可判别结构支座是否存在损伤。以该方案为基础,笔者团队以某钢筋混凝土组合梁桥为监测对象,验证了如何利用宏观应变监测和模态宏观应变斜率法来识别结构支座损伤的过程[12]。该案例的结果显示,当目标传感器逐渐接近损坏的支座,斜率的变化值逐渐增大。该结果进一步验证了这一特征可以用来识别支座损伤,即当目标传感器靠近支座,而斜率逐渐增大,这表明支座存在损坏。基于宏应变模态的支座损伤早期监测方案如图17 所示。

图17 基于宏应变模态的支座损伤早期监测方案

5.3 冲刷早期监测技术

1) 现有基于位移模态的冲刷监测技术

现有的冲刷监测技术主要是通过加速度计获取桥墩基础的固有频率、位移振型,从而识别可能发生的冲刷损伤,基于加速度计的冲刷监测原理如图18 所示。基于加速度数据的结构位移模态分析方法虽然对明显冲刷破坏具有一定的识别能力,但在冲刷的早期阶段,位移模态的微小变化量很容易在加速度计的测量误差中被忽视。

图18 基于加速度计的冲刷监测原理

如日本某桥梁冲刷监测方案,基于加速度计的冲刷监测结果如图19 所示。其一年中的固有频率统计结果显示,由于冲刷响应小,实际频率变化不足以判断是否存在冲刷。冲刷解析结果显示,即使冲削量达到2 m,桥墩完全外露的情况下,其固有频率变化也仅为5%。而对位移模态振型的解析结果显示,从初始到30 cm 的冲刷变化过程中,发生冲刷位置的位移振型模态没有明显区别,无法满足监测冲刷变化过程的需要。

图19 基于加速度计的冲刷监测结果

2) 基于宏应变模态的早期冲刷监测方案及实施效果

针对冲刷监测技术的需求,特别是对能反映冲刷早期损伤特征的监测方法的需求,作者团队提出利用区域分布长标距光纤应变传感器,通过高精度动静态应变测量实现冲刷损伤的早期精准监测。位移模态及宏应变模态的冲刷识别原理如图20 所示,依据模态理论可知,由于桥墩基础近似悬臂梁结构,其位移模态峰值位置远离基础底部发生冲刷的位置。而反观宏应变模态的峰值位置更接近底部的冲刷位置,因此宏应变模态对冲刷损伤更为敏感,且更适合于识别冲刷早期带来的微小变化,从而依据桥梁基础的宏应变模态变化达到实现冲刷损伤的早期监测的目的。

图20 位移模态及宏应变模态的冲刷识别原理

位移模态及宏应变模态对冲刷识别结果的对比如图21 所示,通过有限元算例检验了宏应变模态对冲刷损伤的识别精度。结果显示,随着冲刷量的增长,通过传感单元直接覆盖的区域应变振型明显发生变化。对于位移模态和应变模态的结果,再次验证了应变模态对于局部损伤更加敏感的准确性。因此在实际长跨桥梁结构中,通过在桥墩布设区域分布长标距传感器或在桥墩附近布设高耐久智能筋,可以有效识别冲刷的发生。此外,由于冲刷损伤主要集中在桥墩底部,考虑到现场存在不适合直接布设区域分布长标距传感器的问题,接下来进一步论证在未直接布设传感器的情况下,通过拟合应变模态的斜率关系,拟合未直接覆盖区域的应变模态,从而实现桥墩应变模态的全面识别。

图21 位移模态及宏应变模态对冲刷识别结果的对比

5.4 滑坡早期监测技术

1) 现有基于地表位移的滑坡监测技术

一般而言,边坡内部的土体变形是出现滑坡的前兆,即土体变形的积累达到一定程度,将导致边坡失稳破坏。如能在滑坡出现的早期对发生较大变形的边坡进行整治,则能有效阻止滑坡的发生。然而滑坡存在隐蔽性,其监测面临的困难和挑战主要包括3 个方面:①监测点位置难确定。滑坡是一个相对复杂的地质体系,监测点的选取和位置的确定非常重要。然而由于滑坡表面通常不规则,并且有大量的岩石和土壤破坏物,监测点的位置难以确定。②监测手段有限。传统的监测手段包括测量、摄影和卫星遥感等方法,这些方法虽然在一定程度上可进行滑坡监测,但存在局限性。比如传统方法需要定期人工测量,成本高、效率低、监测数据不够精确,无法实时监测。③监测数据分析难度大。由于滑坡受到各种因素的影响,监测数据通常非常复杂。监测数据包括地下水位、地表位移、地震波等信息,如何从这些数据中分析出滑坡的演化趋势和规律是一个很大的挑战。现有监测技术中缺乏相对应的土体内部监测方法,多是间接地以位移计、测斜仪、GPS(Global Positioning System,全球定位系统)等进行地表形变监测,存在环境复杂、结构不利位置准确定位难、覆盖面不足以及难以有效监测边坡内部变化趋势的技术难题。如日本滑坡监测结果显示,在同等级别的地震作用后,地表位移测量结果呈现不同的变化趋势,无法作为判断滑坡的有效依据。而基于地震仪的滑坡监测结果显示,通过地震仪测得的地下振动仅能作为一定范围内可能发生滑坡的定性判断,监测地点与实际发生滑坡的地点尚存在明显差异。若能对土体内部变形实施有效监测,在滑坡出现早期及时发现和处理险情隐患,则能更好地保障边坡安全。

2) 基于内部土体微小振动的滑坡早期监测方案及实施效果

针对上述地表变形的间接监测方式以及地震仪仅适合定性的问题,作者团队提出监测边坡内部土体微小振动的滑坡早期监测技术,从而分析长期滑坡变化趋势,并及时发现问题、发出预警,为有效加固和应急处理提供依据。该技术一方面是提供高精度的微小滑坡变形监测,另一方面是利用埋设的自感知BFRP(basalt fiber reinforced polymer,玄武岩纤维增强复合材料)锚杆监测土体内部微小振动,识别土体内部振动特性的变化规律,从而实现施工过程中坍塌甚至出现轻微坍塌征兆前的预警。早期滑坡监测方案如图22 所示。该技术主要可实现以下功能:①追踪边坡内部各层平台变化。依次在各级平台布设智能筋,监测内部各层土体的微小振动,从而获得土体内部的滑动点。②追踪边坡内部各层土体振动特性。依据智能筋的宏应变模态振型,识别土体振动特性的变化,输出潜在滑动面。

图22 早期滑坡监测方案

5.5 隧道早期监测技术

1) 技术现状

隧道在施工及运营期间的结构健康状况监测,一直是地下轨道交通安全运营研究中的关键问题之一。建立隧道结构从施工建造到运营使用的全生命周期监测与智能化管理系统,不仅可在隧道结构施工期的安全保障方面发挥重要作用,在长达百年以上的运营期中还可以对可能发生的灾害破坏提供判断结构状况的重要依据。尤其是在隧道运营期,由于时间和空间跨度很大,受地质条件、外界环境、列车震动等诸多因素影响,隧道结构的健康状况会随着运营时间的增长而逐步恶化。如香港地铁区间部分隧道在20 年的时间内就发生因钢筋腐蚀导致的混凝土保护层严重脱落,考虑到维修工作不能影响地铁正常运营,每天修复时间仅有几个小时,整体修复时间长达数年。虽然现有隧道尚未出现大面积结构性破坏的情况,但对于实际使用周期长达百年以上的隧道结构,一旦受到地震、爆炸、大规模火灾、顶部基坑开挖、邻近隧道穿越等偶然因素作用,辅以长时间的结构损伤累积,隧道发生结构性破坏并带有人员伤亡和严重财产损失的概率会明显增大。为保障隧道结构安全,需要在施工与运营阶段对隧道的混凝土/钢筋应变、围岩/土体压力及塑性变形、管片接缝不连续变形、隧道截面收敛、隧道不均匀沉降等进行有效监测[13]。目前实际隧道结构监测中,大多仍采用各种传统的点式局部传感器,并对施工阶段个别位置进行监测。例如在厦门地铁2 号线跨海区间隧道穿越海底风化槽段开展的现场监测[14-15],在管片预制过程中对管片外侧埋设振弦式柔压计,在拱顶、边墙位置共布设4 个测点,用于测量管片外壁承受的总压力;在管片内外侧各布设1 支振弦式钢筋计,沿管片环向共布设4 个测点,测量混凝土内部的钢筋应力。而在隧道沉降监测中,采用在间隔距离的若干监测点布置水准仪。使用该方式对隧道结构进行监测,只能监测隧道局部结构的受力及变形情况,不足以形成有效的隧道病变和灾变(特别是早期损伤)的监测系统。

2) 隧道收敛变形早期监测方案

用于收敛变形监测的光纤布设方式目前主要有2 种:沿直径布设或沿隧道管壁环向布设。第一种方式可以直接监测直径变化,较为简单,但需要在无交通干扰的条件下实施。如日本东京地铁13 号线穿越NTT(日本电报电话公司) 通信用隧道时,将光纤连接直径两端,由光纤的伸缩直接测量横截面收敛变形。第二种方式则为间接监测,不影响交通却需要建立收敛变形与环向应变间的关系。要将其应用在隧道监测上存在2 个问题:一是筒壁任意点测量得到的应变都包含弯曲应变分量和轴压应变分量,二者难以区分;二是隧道由管片拼装而成,由于管片间接头刚度与管片自身差距较大,接头旋转必然产生结构附加变形,因而需要建立结构附加变形与各接头转角的关系,以及测量各接头转角的方法。为此,作者团队提出利用区域分布传感技术建立隧道截面收敛监测技术[16]。收敛变形由接缝转动和管片应力变形两部分组成,因此在接缝处布设区域分布传感器监测转动变形;在隧道内侧管片表面布设区域分布传感器监测管片应变和接缝变形。隧道截面区域分布传感器布设如图23 所示。

图23 隧道截面区域分布传感器布设

3) 隧道不均匀沉降早期监测方案

与收敛变形监测相比,隧道纵向沉降监测范围更广,沉降的出现也呈现出更大的随机性,因而更需要分布式传感器进行监测。目前监测纵向沉降的主要方法是将基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器沿隧道纵向定点布设,以测量隧道在荷载作用下的纵向应变分布,通过二次积分来监测结构的沉降变形。然而在应变二次积分过程中,某点的积分误差是由该点前所有积分点的应变测量误差累加而成。由于监测点逐渐远离边界点,加之布里渊散射的分布式光纤传感器自身精度,误差不断累积从而将真值“淹没”。为此,本技术提出用区域分布传感器完全覆盖不均匀沉降的关键区域(如地质环境脆弱地区、隧道下穿地区等),基于弹性地基梁模型利用隧道应变分布与沉降之间的关系,实现隧道不均匀沉降的高精度在线监测,隧道不均匀沉降变形区域分布传感器布设如图24 所示。

图24 隧道不均匀沉降变形区域分布传感器布设

4) 隧道土体/岩体早期监测方案

为有效监测隧道周围土体/岩体可能存在的塑性变形,提出利用区域分布长标距光纤应变传感技术结合高性能玄武岩复合材料技术,从而形成高韧性区域分布智能锚杆。区域分布智能锚杆内置多个区域分布长标距光纤应变传感单元,经过结构受力特征优化设计,适合于构建兼具传感功能的一体化智能感知构件。此外,采用玄武岩纤维复合材料耐久性封装锚固等多项传感器制备技术,可保证在各种严酷环境下工作寿命大于50 年。在拱顶、拱腰、拱脚等关键区域,通过锚杆嵌入技术将区域分布智能锚杆嵌入隧道周围土体/岩体中,对围岩土层压力/塑性变形进行分层高精度监测。隧道周围土体/岩体区域分布传感器布设如图25 所示。

图25 隧道周围土体/岩体区域分布传感器布设

隧道环向收敛变形[16]如图26 所示,隧道纵向沉降分布[16]如图27 所示,在区域分布传感的结构健康监测系统对隧道结构的应用案例中,测得隧道环向各点相对于坐标原点收敛变形的监测结果和纵向沉降分布。与水准测量得到的结果对比可知,基于监测数据区域分布监测系统得到的隧道沉降与真实沉降吻合。

图26 隧道环向收敛变形

图27 隧道纵向沉降分布

6 结语

为解决我国基础设施的质量问题,提高工程结构的可持续性并有效降低维护成本,需要采用新的建造与维护模式。区域分布传感技术结合了结构整体与局部、动态与静态的信息监测,具有广阔的应用前景。本文总结了课题组近年来在区域分布传感技术方面的研究工作,包括理论研究、实测以及应用案例,其主要结论如下。

(1) 桥隧等交通基础设施安全长寿命的关键之一是解决损伤的早期、精准检测与监测问题。

(2) 结构区域分布传感理念顺应工程结构的特性、特征,有机地弥补了结构局部传感和整体传感的不足,能够有效用于损伤的早期精准识别及状态全面评估。

(3) 基于结构区域分布传感理念获得的宏应变分布数据可直接反映和关联结构应变与转角等宏微观信息并实现损伤覆盖。利用建立的宏应变分布与位移、转角、荷载等直接映射关系,能够实现应变、转角、变形、荷载、动力特性等多种监测功能,即达到一专多能的效果。

(4) 基于结构区域分布传感理念获得的宏应变模态,适用于常见的加速度测量发展起来的模态测试技术。笔者及国内外学者的研究结果表明,宏应变模态不仅能够减少测量噪声和环境扰动带来的不利影响,而且宏应变模态对局部损伤非常敏感,在损伤识别效果上优于以往基于传统加速度测量发展起来的损伤识别技术,从而形成了桥梁的拉索断丝、支座老化、冲刷、滑坡以及隧道的收敛变形、不均匀沉降、围岩变形等典型病变和灾变的早期监测技术。