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      淺談橋梁健康監測技術在橋梁檢測中應用
      發布時間:2014-05-19
        隨著橋梁在交通運輸中占據日益重要的地位,橋梁設計理論和施工技術的不斷進步使得橋梁跨度不斷有新的突破,結構形式也日趨復雜。鑒于橋梁的特殊性與復雜性,設置先進、可靠的綜合健康狀態實時監測系統,對出現的安全隱患能夠快速反應,通過提供所需要的早期危險報警和損傷評估來保證橋梁的安全,增強橋梁的生存能力,從而達到從探測、報警、聯動控制直至消除安全隱患的全方位一體化具有重要意義。
        1 橋梁健康監測的概念橋梁健康監測的基本內涵是根據結構的主要性能指標(如可靠性、耐久性等),結合無損檢測(NDT) 和結構特性分析(包括結構響應),從營運狀態的結構中獲取并處理數據,目的是為了診斷結構中是否有損傷發生,判斷損傷的位置,估計損傷的程度以及損傷對結構將要造成的后果。通過對橋梁結構狀態的監測與評估,為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號,為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。橋梁健康監測根據橋梁結構安全性、適用性和耐久性評估的需要和橋梁管理、決策部門的信息需求,并結合目前國內的實際經濟條件及橋梁現場監測條件,確定橋梁結構監測系統中實施的監測項目,以實用性、可靠性為基礎,在一定程度上兼顧其先進性,并考慮到費用一效益cost~benefit)的關系,確定各監測項目。
        2 傳統橋梁檢測方法傳統橋梁檢測技術是通過人工目測檢查或借助于便攜式儀器測量得到的信息對橋梁結構的安全狀態進行評估。人工橋梁檢查分為經常檢
        查、定期檢查和特殊檢查。但是人工橋梁檢查方法在實際應用中有很大的局限性。傳統檢測方式的不足之處主要表現在:
        1) 需要大量人力、物力并有諸多檢查盲點,這對現代大型橋梁尤其突出。
        2) 主觀性強,難于量化。經過半個多世紀的發展,雖然現代斜拉橋的分析設計與施工技術已日趨完善,但對某些響應現象,尤其是損傷的發展過程,尚處于經驗積累中,因此定量化的描述是很重要的。
        3) 缺少整體性。人工檢查以單一構件為對象,只能提供局部的檢測和診斷信息,而不能提供整體全面的結構健康檢測和評估信息。
        4) 影響正常交通運行。對于較大型的橋梁通常需要搭設觀察平臺或用觀測車輛,無可避免需要實施交通控制。
        5) 周期長,時效性差。大型橋梁的檢查周期可達數年。在有重大事故或嚴重自然災害的情況下,不能向決策者和公眾提供即時信息。從上可知,人工橋梁檢查程序和設施,無法直接和有效地應用于大型橋梁的檢測上。因此有必要建立一個針對大橋的結構健康監測系統,用于監測和評估大橋在運營期間結構的安全性、耐久性和使用性等。
        3 光纖光柵技術應用于橋梁監測 光纖光柵是20 世紀90 年代以來國際上新興的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子處理領域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。光纖光柵是以光纖為基本材料,通過激光加工形成的一種特殊器件,能夠對滿足布拉格條件的光進行反射,在實際工程中,要檢測的點如果受到應變、溫度、壓力、位移和加速度等變化,波長就會改變,這樣通過檢測波長的變化就可以檢測出此點的應力狀況。進而可以判斷出被檢測物體的安全狀況。
        同傳統的電傳感器相比,光纖光柵傳感器具有以下優勢:1) 多個相同或不同類型的傳感器可以串接復用在一根光纖上,系統集成度高;2) 單根光纖上串接的傳感器間隔可以是幾厘米或幾十公里,直接實現遠程傳輸測量精度和分辨率高;3) 傳感器的零偏值不漂移,屬于絕對量測量,長期工作性能穩定;4) 環境適應性好,可長期用于高溫、高濕及存在化學侵蝕等的惡劣環境;5) 重量輕,體積小,
        安裝使用方便;6) 以光信號中心波長值表征被測量,不受光強波動及傳輸光纖彎曲損耗等影響。
        傳感器串接鏈具有自愈合功能:正常工作時,只需將傳感串接鏈的首端或尾端接到光纖光柵傳感網絡分析儀即可實現所有傳感器信號的同時檢測;一旦施工中的意外情況或其他災害導致傳感器串接鏈斷損,則可以將傳感鏈的另一端也接到光纖光柵傳感網絡分析儀,此時以斷點為界,左右兩側所有的傳感器分別通過串接鏈的首端和尾端連接到光纖光柵傳感網絡分析儀進行檢測,實現自愈合。
        基于光纖光柵傳感系統的橋梁健康監測系統是一個以橋梁結構為平臺,應用新型光纖光柵傳感技術,對橋梁上關鍵部位的結構變形、環境溫度分布、地下水位、結構振動等多項參數進行實時監測的綜合監測系統,它能夠實時監測橋梁在各種環境、荷載等因素作用下的結構響應,并能有效地提供橋梁養護管理的科學依據,顯著提高橋梁的整體管理水平,從而能夠最大限度地確保橋梁安全運營,預診斷橋梁病害和延長橋梁使用壽命。該系統具有如下特點:
        1) 準分布式全光測量及傳輸。光纖光柵傳感器本身為無源器件,傳感信號的感測及傳送均為光信號,因而監測現場沒有電子設備,不受電磁干擾,無需做雷擊防護。
        2) 測試精度高且具有準確的測點空間定位能力。光纖光柵傳感器結構小巧且布設距離沒有限制,可以準確定位各測點的空間位置。實時性好,系統中所有監測點的同步數據采集頻率可在毫秒級到秒級設定
        3) 系統安裝及長期使用過程中無需定標。光纖光柵本質穩定,不存在零點漂移。由于光纖光柵采用光中心波長表征物理量測量值,屬于數字量,光源的老化衰減及傳輸光纖布設、使用過程中由于彎曲、擾動而引入的光信號衰減不影響測量精度。光纖傳感分析儀無可動部件,長期使用無需標定。
        4) 高可靠性。光纖傳感器和傳輸線路均為石英光纖,可在惡劣溫濕度環境保持數十年工作壽命。
        4 結語 橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進,而是運用現代傳感與通信技術,實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應與行為,獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息,由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性,為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。同時,橋梁結構健康監測對于驗證與改進結構設計理論與方法、開發與實現各種結構控制技術以及深入研究大型橋梁結構的未知問題具有重要意義。因此,健康監測為橋梁工程的發展開辟了新的空間。
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        [1] 劉永前.大型橋梁結構健康監測技術研究與應用[D].北京交通大學,2007.
        [2] 秦權.橋梁結構的健康監測[J].中國公路學報,2000.

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