桥梁健全性评估理论与方法

第1章　概述与预备知识 随着社会生产力的不断发展，人类对结构物的要求也日益复杂化和多样化。现代大型结构物，如高层建筑、大跨桥梁、大型水坝、地下建筑等，都要求其能提供更高的强度，更好的可靠性、耐久性及安全性。另外，由于这类大型结构物对整个国民经济的发展至关重要，现代社会还要求它们应具有更强的防灾能力。 传统结构大多通过提高材料的力学性能、采用合理的结构形式、加强施工管理以及定期评估与维护等传统手段来满足这些要求。然而，这些传统的手段均属于消极被动的方式，一旦将结构物建成并投入使用，便失去了对结构的全面控制，结构失效、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者、使用者和管理者的意志为转移，对其行为的预测及防范工作都将是十分困难的。 考察众多结构物灾害实例，发现在整个结构设计寿命期内，结构物都有可能发生结构失效，原因如下。 (1) 结构抗力的衰减、损伤积累等导致结构强度及可靠性降低。 (2) 材料老化、腐蚀及力学性能的劣化(如徐变等)等导致结构耐久性失效。 (3) 施工质量低劣或使用不当给结构带来隐患以及损害。 (4) 结构长期遭受动荷载作用而造成疲劳失效。 (5) 偶然荷载(如地震荷载、爆炸冲击荷载等)造成的结构损伤。 以上这些原因都对传统设计方法在结构强度及安全性上提出了更高的要求。因此，对建筑结构进行实时监测，并由结构自身做出智能反应就显得十分重要了。 现代材料技术的发展使人类社会进入信息时代，信息材料的生产已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、作动器紧密地融合于结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代计算机集成于结构大系统中。力、热、光、化学、电磁等激励和控制，使结构不仅有承受建筑荷载的能力，还具有自感知、自分析计算、自推理及自控制的能力。具体说来，结构将能进行参数(如应变、损伤、温度、力、声音、化学反应)的监测及监测数据的传输，具有一定的数据实时计算处理能力，包括人工智能诊断推理，以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力。简而言之，即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。这就是智能土木结构概念的形成过程。 智能土木结构的概念是为解决评估结构强度、完整性、安全性及耐久性问题而提出的。对土木建筑的结构行为或响应进行监测，并对结构性能进行预测，不仅能降低维修费用，而且能确定结构是否安全有效地使用和运营。在结构内部埋入传感器，组成传感阵列网络，以实时监测结构承受的荷载及结构响应行为。智能土木结构目前主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域。 根据智能材料和智能结构的定义，结合桥梁结构的实际状况，将智能桥梁结构[1]定义为：将智能元件如传感器等嵌入桥梁结构中，能使桥梁结构具有感知和处理信息的能力，使桥梁结构具有自监测、自诊断、自适应和仿生功能，确保桥梁结构在外部环境和车辆荷载的作用下安全可靠。即智能桥梁结构是以桥梁结构为平台，通过结构行为监测、环境监测、交通监控、设备监控、综合报警、信息网络及数据分析处理诸系统以及它们之间的*优化组合，向管理者提供一套对桥梁结构长期实时使用状态综合监控的信息，以提高桥梁结构的整体管理技术水平，确保桥梁安全运营，诊断桥梁病害并延长桥梁使用寿命[2]。 桥梁结构健康监测系统[3]通过通信传感设备实时自动采集运营桥梁的响应信号，即车辆荷载、风荷载、温度荷载、环境随机振动下结构的各种真实响应；然后采用数学与计算机方法分析处理信号数据，得到各种结构响应的特征值和阈值，如模态频率、阻尼比、*大位移值、*大应力值等；再将测得的这些关键数值与相应设计限值比较，作为桥梁结构实时预警与安全状况评定的依据，进而为桥梁管养维护提供决策。 1.1　桥梁健全性评估的内容和特点 1.1.1　智能桥梁结构 1. 定义 桥梁作为客观存在的物质，有它特有的生命周期过程，它的“生老病死”同人类一样，是客观的自然规律。如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，将会大大降低事故发生的概率，智能桥梁结构的概念应运而生。 目前，学术界比较统一的关于“智能桥梁结构”的概念及其定义为：桥梁结构中因存在部分智能材料子结构或智能材料，而具有自监测、自诊断、自适应或自修复等仿生功能，从而能极大地满足人们对其安全性及维护方便性等方面的要求，就称为智能桥梁结构。即使得桥梁结构具有某种程度的“智能”，能够随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤等“健康”情况，在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警，从而保障桥梁安全运营，显著降低桥梁总体运营成本。 2. 组成 传统的土木结构是一种被动结构，一旦设计、施工完成后，其性能及使用状态将很大程度地存在不可预知性和不可控制性，这将给结构使用和维护带来不便。为了解决这一问题，发展了在线监测结构，它赋予传统土木结构在线监测功能，从而为掌握结构内部性能打下了基础，使人们可以方便地了解结构内部物理、力学场的演变情况，即为结构智能化的**层次。在此基础上，进一步增加监测数据的智能处理机制，使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力，从而使结构实现第二层次的智能化。进一步在结构中引入自适应及自动控制机制，即根据自诊断、自推理的能力，由在结构中耦合的作动系统做出必要的反应，从而实现智能控制结构，这就是第三层次的智能化。例如，对结构开裂、变形行为，对钢筋锈蚀、结构老化和损伤行为，对结构动力行为，做出抑制性控制，在更高层次上对结构起到保护和维修作用。 从系统工程的观点来看，要想对桥梁结构做出正确的健康状态评估，首先要确定监测目标，可以通过分析结构所面临的危险、各项危险发生的概率以及危险所导致后果的严重程度(危险性分析或易损性分析)，针对不同的危险采用不同的监测策略和手段，在降低系统造价的同时达到预期监测效果。确定了监测目标后，根据健康监测系统的功能需求进行总体设计。总体设计完成后，就形成智能桥梁结构的总体框架结构，如图1-1所示。 图1-1　智能桥梁结构的总体框架结构 由图1-1可以看出，一个完整的智能桥梁结构至少应该包括三个部分：监测子系统、诊断子系统、评估子系统。其中，监测子系统由传感器、数据采集与传输﹑数据处理与控制等模块组成，完成对桥梁结构状态参数(如应变、结构温度场、索力、变形、支座反力等)以及环境参数(如温度湿度、气象条件等)的采集、调理、预处理、传输等工作，并向后续子系统提供有效的监测数据。随着现代科技的发展，监测子系统已经具有自动采集、实时监测等智能化功能。诊断子系统由数值模型、系统识别和模型修正、结构状态与损伤识别等模块组成，它根据监测数据对结构状态进行识别，应用损伤诊断理论，得到结构损伤信息。评估子系统包括桥梁强度储备和可靠性分析、系统状态评估及寿命预测、桥梁维修和养护对策等模块，对桥梁结构损伤诊断结果进行评估与评价，从而获得桥梁结构健康状态水平，对危险状态进行预警，并提出解决方案。 3. 特点 智能桥梁结构不仅是数据的自动采集，同时与目前桥梁常用的判定桥梁运营及安全状态的人工巡检、现场荷载试验等方法有机地结合，相互补充。表1-1列出了目前桥梁常用的评估结构状态的主要方法与步骤，同时给出了各自的优点和缺点。 表1-1　桥梁常用评估结构状态的方法 智能桥梁结构，在结构安全或功能的临界区域及损伤可能发生的部位安装传感器，测量结构关键参数，经常(或连续)对结构进行监测与控制，获得足够多的评判结构功能的样本数，可更为准确地描述结构工作状态，确保结构运营状态安全可靠，为设计、养护等规范的制定与修改提供理论基础，同时指导实际桥梁的建设，提高桥梁的安全性、耐久性和舒适性，使得桥梁更好地为我国经济建设服务。 一个理想的智能桥梁结构系统，应能协助桥梁运营管理部门进行决策并回答图1-2中的所有问题，确保未来结构管理中采用优化方案，如合理安排巡检、养护和维修。由图1-2可知，智能桥梁结构并不排斥既有桥梁常用的结构状态评估方法，而是将两者有机地结合，弥补它们的不足。此外，智能桥梁结构具有如下优势。 图1-2　智能桥梁决策流程 (1) 可以按桥梁技术与管理部门的需要进行足够次数的采样，确保准确地评估桥梁结构的运营状态。 (2) 根据测试结果，对桥梁结构的损伤进行定位，并结合无损探伤技术确定损伤程度，从而对结构可能出现的损伤进行预防。 (3) 确定维修养护策略的基础。 (4) 经常性地反馈维修效果。 (5) 评价未来所需的巡检、额外的现场荷载试验或实验室试验。 (6) 降低专门巡检或荷载试验所需的总体费用和干扰交通的限制。 4. 目的 为了保障桥梁结构的安全性﹑完整性和耐久性，防患于未然，防微杜渐，需对既有桥梁结构采用有效的手段来监测和评估其健康状态。即应用现代化的传感技术、测控技术、计算机技术、现代网络通信技术对桥梁的工作环境、结构状态、在各类外荷载因素作用下的响应进行实时监测，及时掌握桥梁结构的工作状态，全面了解其运营条件及退化状况，实时地评估结构的健康状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据，使得桥梁更好地为我国经济建设服务。 1.1.2　桥梁结构健康监测 作为一个新的领域，土木工程结构的监测获得了极大的关注。监测的主要目的是准确有效地检测结构长期行为或极端事件(如地震、爆炸等)引起的损伤，确保桥梁结构的使用安全。监测应能够及时发现任何可能引起桥梁退化的条件和行为，并采取恰当的处理措施，裁定结构是否安全或可能失效。在施工过程中，监测系统能够验证设计和施工过程的假设；在桥梁建设和修复中，监测还可对所使用的新材料和技术进行性能评价。随着传感、通信等技术的发展，桥梁结构远程监控已经成为现实。 1. 智能桥梁示例或试验平台 为研究智能结构所具有的专门属性，在综合结构健康监测技术信息的前提下，2003年威斯康星州运输部(Wisconsin Department of Transportation，WDOT)与联邦公路局(Federal Highway Administration，FHWA)在项目0092-04-14中资助了威斯康星州公路研究计划。艾奥瓦州立大学(Iowa State University)交通研究和教育中心桥梁工程中心经过全面的信息收集和研究，对所确定的结构健康监测技术(包括目前正在使用的和即将出现的)进行了认真回顾和总结[4， 5]。 为提高桥梁巡检和维修技术，并更好地理解桥梁行为，作为联邦公路局提高目前桥梁监测技术计划的一部分，特拉华(Delaware)州立大学与特拉华州运输部，于2003年联合开发了**座智能桥梁[6](图?1-3)，在桥梁上安装不同的主流传感器并应用新的创新传感技术。研究指出：高度仪表化的智能桥梁可为后来具体的智能桥梁提供一种模式，并希望该桥能作为未来美国智能桥梁的模板，工程师可以使用特拉华州在智能桥梁上的研究，来确定哪些传感器和数据采集系统是*合适的。 图1-3　特拉华州**座智能桥梁Las CrucesI-10桥 2006年，DeWolf等[7]讨论了在美国康涅狄格(Connecticut)州桥梁网络中，监测系统的计划、设计和安装问题。在当前的监测技术水平下，为解决不同桥梁长期监测系统的设计问题，研发了一套通用指南。采用应变、温度、倾斜和振动传感器，针对每一座桥使用该指南进行各自的监测系统设计。以正常交通为激励，进行连续检测。作者给出了四座桥梁的运营监测结果。其目的是使用长期监测数据来了解桥梁长期行为，并从监测系统获得的数据建立长期结构健康监测的基础。 2006年，在佛罗里达(Flor