跨海大橋健康監測的關鍵技術分析
2018-08-29 17:43:10 作者:郭 健 來源:浙江省舟山連島工程建設指揮部,浙江舟山 316000 分享至:

    1 前言

 

    近年來,隨著東海大橋、杭州灣大橋以及舟山大陸連島工程跨海大橋等跨海大橋的陸續建成,我國的跨海大橋建設水平已躍居世界前列。


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    舟山大陸連島工程連接舟山、寧波兩市,全長49. 96 km(見圖 1)。工程包括 5 座跨海大橋,分別為岑港大橋、響礁門大橋、桃夭門大橋、西堠門大橋、金塘大橋。其中西堠門大橋采用主跨為 1 650 m 的兩跨連續鋼箱梁懸索橋,跨徑為世界第二,僅次于日本的明石海峽大橋(鋼桁梁懸索橋);金塘大橋的主通為鋼箱梁斜拉橋,主跨 620 m,是我國在外海條件建設的跨度最大的斜拉橋。


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圖 1 舟山大陸連島工程 5 座跨海大橋布置圖

 

    跨海大橋一般在建設過程中就要面臨諸多的技術挑戰,需要解決許多在常規橋梁建設中不會遇到的設計和施工難題,很多建設技術參數已經突破了現有行業規范的考慮范圍,橋梁建設技術也在不斷的創新中發展。同時對處于復雜海洋環境中的跨海大橋,在其全壽命周期中,結構不僅承受著車輛荷載的作用,而且還會遭受各種可能的突發性因素(如臺風、地震、船舶撞擊等)的影響,從服役開始就面臨著損傷積累的威脅,在其漫長的服役期中,會不斷出現損傷、維修、再損傷、再維修,直到服役期結束。嚴格地講,橋梁結構的健康狀態是在不斷地發生著變化。如果能夠對跨海大橋結構進行實時的狀態監測,針對易損構件進行實時的損傷診斷,就可實時了解結構服役狀態,及時完成必要的維護和修復,那么就可避免由于橋梁結構整體失效所造成的工程事故。


    2 跨海大橋建設的技術研發需要長期的結構監測系統

 

    跨海大型橋梁處于陸海相交的海域環境中,這樣的區域一般地質情況復雜,且海上風、浪等自然氣候條件惡劣。以舟山大陸連島工程為例,橋址區的氣候同時受到西風帶、副熱帶和熱帶輻合帶天氣系統的影響,天氣復雜多變,災害性天氣類型多、發生頻繁,主要有暴雨、龍卷風、連陰雷暴、颮線、寒潮和霧等,其中尤以龍卷風、颮線、雷暴最為嚴重,對工程施工和運營安全有影響。環境濕度和鹽度高的海洋氣候對鋼結構的侵蝕風險大。舟山地區是受臺風影響頻繁的地區,平均每年 2. 56 個,臺風最早出現在5 月份,最遲出現在 11 月份,且季風盛行,風力大。其中西堠門大橋處,10 m 高處 100 年重現期的最大風速達 41. 12 m/s。西堠門水道潮流一般以不正規半日潮流為主,潮流運動形式大多為往復流,且流速大、有強烈旋渦,實測最大漲落潮漂流流速約 2. 66~3. 65 m/s,實測最大波高可達 2. 1 m,該水道通航繁忙。整個橋址區域地質條件較復雜,地震基本烈度為Ⅶ度,為浙江最高地區。


    環境條件對跨海大橋的設計、施工及后期養護都提出了更高的技術要求,其建設過程中面臨著諸多的技術挑戰,這些凝聚在設計和施工中的關鍵技術需要在運營期通過健康監測系統的實測數據來進一步分析和研究。主要有:


    1)跨海大橋常常面臨惡劣的風環境。高風速條件下,大跨徑橋梁在結構選型和構造設計中必須考慮風致破壞問題,針對結構顫振和渦激共振必須采取有效的措施。例如,著名的美國塔科瑪大橋就曾遭受風致破壞。而跨海大橋常常會采用跨越能力強的大跨徑懸索橋,懸索橋屬柔性結構,抗風問題顯得更為突出,所以確保跨海大橋的抗風性能和抗風安全是一個十分關鍵的技術問題。對實測風環境和結構在風荷載下的反應進行監測十分必要。


    2)跨海大橋位于惡劣的海洋環境中,在這種環境下混凝土結構的腐蝕狀況要比其他環境下的嚴重得多。導致海水中混凝土腐蝕的因素主要包括:鋼筋銹蝕、凍害、化學腐蝕、結晶壓力以及海洋微生物作用、流水波浪的磨損與沖刷等。因此,防止鋼筋銹蝕延長結構使用壽命,確保跨海大橋的耐久性是一個十分突出的問題,也需要長期給予監測和關注。


    3)最近的二十余年,全球發生了許多次大地震,在這幾次地震災害中都有一個共同特點,即由于橋梁工程遭到嚴重破壞,切斷了震區交通生命線,造成救災工作的巨大困難,使次生災害加重,導致了巨大的經濟損失。因此重大交通工程必須進行地震安全性評價,并根據橋位處不同的地區地震安全設防要求,確定抗震設防措施。另外,對于處于通航海域的跨海大橋,確保其防船舶撞擊的安全性也是一個十分重要的問題。類似地震和船舶撞擊等突發災害的災后結構評估也需要系統的監測數據作為支撐。


    4)跨海大橋多處于港口及船舶出入頻繁區域,海域航道繁忙,為滿足通航要求及地形條件的限制,避開深水基礎等因素,跨海大橋朝特大跨徑方向發展是一個趨勢。特大跨徑橋梁的全部作用效應中以自重效應占很大成分,因此跨度的增加依賴于材料科學的進步,研發高強輕質材料是跨海大橋發展的一個重要技術難題,如懸索橋鋼箱梁所用鋼板和纜索系統所用鋼絲等都直接支撐橋梁向更大跨度發展,這些新材料和新工藝的耐久性也需要進行長期監測。


    5)由于大型跨海大橋(尤其是斜拉橋、懸索橋)的力學行為和結構特點相對復雜,橋梁結構受多重荷載和環境效應作用,在大橋設計階段就完全精確地掌握和預測結構成橋后的受力狀態是非常困難的。結構理論分析常基于理想化的有限元離散模型,并且分析時常以很多假定條件為前提,試驗研究的模擬也可能與實際結構的受力狀態不完全相符。


    因此,通過橋梁健康監測所獲得的實際結構的動靜力反應來驗證大型跨海大橋的各項設計指標,監測結構安全狀態成為一個十分重要的研究方向,可為跨海大橋建設提供更多的技術信息,可為進一步提高設計和施工水平提供參數指標依據。


    在跨海大橋建成后,就需要一個完善的結構監測系統來測試結構在運營過程中的各種反應信息,并通過有效的損傷識別方法來了解和分析大橋結構的受力狀態和服役能力,來校核和驗證設計及施工的合理性和正確性。由于跨海大橋在建設技術上的超前性和結構體系上的復雜性,其對健康監測系統的構建及損傷識別算法的性能也提出了更高的要求。


    3 跨海大橋健康監測的發展及系統構建

 

    3. 1 橋梁健康監測的發展

 

    20 世紀 40 年代到 50 年代,國外土木結構的損傷檢測發展主要是對結構缺陷原因的分析和修補方法的研究,檢測工作大多采用以目測為主的傳統方法;60 年代到 70 年代,開始注重對結構檢測技術和評估方法的研究,多種現代檢測技術被應用到土木結構中;80 年代以來,土木結構的損傷檢測進入了逐步完善的階段,結構檢測方面制定了一系列的規范和標準,結構損傷檢測與基于有限元分析和智能評估的損傷識別相結合得到了迅速的發展。我國在20 世紀 70 年代以后,隨著結構抗震、抗風研究的發展,才逐步開始結合可靠性評估和安全維修鑒定進行土木工程結構損傷檢測的研究 [1] 。后來,計算機技術、信息技術和人工智能等學科的知識不斷被應用到結構損傷檢測中,人們不僅應用各種檢測手段和檢測工具在現場對結構進行測試,還應用各種理論方法在計算機上結合有限元計算對結構的損傷狀態進行分析,來識別在現場無法察覺的結構損傷,并發展出了一門專門的技術即損傷識別。


    近年來,隨著我國大型橋梁工程的興建,結構健康監測得到了極大的重視,越來越多的人在從事這方面的研究,越來越多的橋梁結構中安裝了實時的健康監測系統。國際上出現了針對重要工程結構的長期健康監測系統。長期健康監測系統是由永久性安裝在結構上的傳感器和數據采集輸出等軟硬件設備組成的系統,它以結構的荷載、環境、響應等為監測對象,為及時地評價結構的健康狀態提供了豐富的資料,可實時地通過現場安裝的損傷檢測儀器和計算機輔助完成的損傷識別技術對結構的健康狀態做出評價。長期在線結構健康監測系統對硬件和軟件都提出了更高的要求,大大推動了損傷檢測和損傷識別技術的發展。同時把人工巡檢和自動化的數據采集相結合,豐富觀測信息,已成為大型橋梁健康監測的一個新趨勢。隨著測試手段和分析技術的提高,許多國家都開始在一些大跨橋梁中設置健康監測系統,在橋梁結構健康監測和損傷識別方面進行了卓有成效的研究  。


    美國在 20 世紀 80 年代中后期開始在多座橋梁上布設傳感器,監測環境荷載、結構振動和局部應力狀態,用以驗證設計假定、監視施工質量和實時評定服役安全狀態,例如,佛羅里達州的 Sunshine SkywayBridge 橋上安裝了 500 多個傳感器,可以通過近距離及遠距離兩種方式,采集橋梁各階段的位移、應變、溫度信息,并通過這些信息分析結構及材料隨時間變化的規律。


    丹麥對 Great Belt 跨海斜拉橋進行了施工階段及通車首年的監測,目的是通過監測數據來分析關鍵的設計參數,掌握施工最不利階段結構的受力狀態以及獲取運營后對結構進行維修所需的橋梁健康記錄。


    挪威在主跨 530 m 的 Skarnsundet 斜拉橋上安裝了全自動的數據采集系統,該系統能對風、加速度、傾角、應變、溫度、位移等進行自動監測,以實現對全橋結構狀態實時了解的目的,并能檢驗設計和施工是否完善。


    泰國曼谷 RamaIX 斜拉橋與韓國 Namhae 懸索橋分別于 1994 年和 1996 年安裝了結構整體性安全在線警報系統,該系統能對結構進行遠程監測。


    香港的幾座大跨橋梁、內地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋、南京三橋、錢江四橋等都安裝了健康監測系統,在運營期間對結構進行實時監測。其中香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上安裝了當時世界上規模最大的實時安全監測系統,即風與結構健康監測系統。三座橋上的監測系統包括傳感器系統、信息收集系統、信息處理和分析系統,傳感器系統由約900 個各類傳感器及有關附件組成。


    3. 2 大型橋梁結構健康監測系統的構成

 

    橋梁健康監測系統是集結構監測、系統識別及結構評估于一體的綜合監測系統,其內容包括荷載監測、幾何變位監測、結構響應監測等。整個橋梁健康監測系統就像一個醫生,對結構健康狀態進行診斷,首先對結構系統輸入荷載觀測,然后測量結構體系受激勵所產生的反應,通過各種測試儀器得到測試數據后,先完成數據處理,再結合數值模型的先驗知識對結構進行診斷,分析結構可能發生的損傷。最后對結構的健康狀態進行評估,確定維修和養護對策。一個完善的結構健康監測系統如圖 2 所示 。


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圖 2 橋梁健康監測系統構成

 

    如在舟山連島工程橋梁健康監測系統中,主要的目的是完成橋梁安全狀態的獲知,采取的新思路是通過相對靈活和主觀的人工巡檢和相對固定和客觀的傳感器監測來獲得橋梁結構安全的基本信息,并通過結構狀態評估及損傷識別等技術來獲得較為直觀的橋梁結構安全信息。系統建立的目的是使橋梁的養護管理人員能夠及時獲得易于理解的橋梁安全狀態信息。針對不同的構件危險性分析來采用不同的監測巡檢策略,大橋結構總體受力狀態的把握,通過布設自動化傳感測試系統來獲取橋梁受力狀態的主要信息。大橋構件及附屬設施表觀局部損傷的探明主要通過電子化人工巡檢定期直接檢測。


    為確保在大橋運營期對結構進行全方位的結構狀態監測,舟山連島工程中安裝了目前世界上最大規模的結構健康監測系統,覆蓋金塘和西堠門兩座大橋,這個監測系統已在西堠門大橋安裝了 350 多個傳感器,在金塘大橋安裝了近 600 多個傳感器,這些傳感器包括風速儀、溫濕儀、溫度計、加速度傳感器、GPS、傾斜儀、壓力變送器、位移傳感器、電阻應變片、索力傳感器、支座反力計等。同時,系統中集成了傳感測試、信號分析、智能控制、人工智能等目前最新的技術和設備。采用工業以太網和分布式信息融合技術為大橋管養提供智能支持,實現了全方位的結構監測,西堠門大橋的系統布置如圖3 所示 。


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圖 3 西堠門大橋結構健康監測系統 (單位:cm)

 

    整體上看,由于儀器技術和通信技術的提高,以及各種檢測手段的不斷發展,目前橋梁健康監測系統中的硬件水平和獲取原始測試數據的能力已不是至關重要的技術難題,而目前面臨的挑戰是,對于大型復雜橋梁,如何用有限的傳感器和檢測手段去獲取相對無限的結構狀態信息,同時面對海量的監測數據和多源結構狀態信息,如何進行有效的綜合利用,通過信息管理系統和管理決策系統能夠智能化地為橋梁管理服務。


    4 跨海大橋損傷識別的特點分析及方法選擇

 

    面對橋梁健康監測系統所提供的大量監測數據信息,目前的損傷識別方法在工程應用上還難以令人滿意。在橋梁結構損傷識別領域,發展比較快,研究比較多的是基于振動的結構損傷識別方法。起初,人們首先想到的是找到一種不隨結構系統輸入變化,而對系統參數變化敏感的結構動力特征,來識別結構損傷前后的系統參數變化情況。因此結構固有頻率、振動模態等動力指紋被采用來進行損傷識別。這種基于測試頻率的方法被 Adams 和 Cawley首次提出來進行損傷識別 。由兩種最初的基于頻率和基于模態的損傷識別方法不斷改進,目前已經發展出了多種不同的損傷識別方法,如基于模態曲率、模態應變、模態應變能等以及頻率和模態組合的方法。針對具體的研究對象,這些方法都展示出了各自獨到的特色 。隨后,隨著計算機技術的發展和交叉學科理論的滲透,研究人員先后發展了基于神經網絡的方法、基于遺傳算法的方法、基于統計理論的方法、基于小波分析的方法和基于信息融合的方法等。結果表明,這些方法應用于常規的橋梁結構損傷識別分析,比傳統的方法有優勢,能得到更理想的識別結果,特別是基于小波分析的方法更顯示了它在結構損傷識別中的獨到之處 。但是在大型跨海橋梁中,健康監測系統往往規模巨大,測點和傳感器數量多,針對單一易損構件采用統一的損傷識別方法可能無法滿足復雜的結構損傷狀態識別,因此,需要針對不同的可能致損荷載和不同類型的可能結構損傷來發展有不同損傷識別目的的算法,以實現跨海大橋中復雜結構的分布式損傷識別。


    從系統認知的角度看,橋梁結構損傷識別問題是一個系統辨識過程,就是在一定外激勵輸入下,在系統輸出數據的基礎上,確定所測結構系統參數變化的過程,也就是一個“黑匣”認知問題。結構損傷識別的目的就是通過獲得結構系統的輸入(荷載激勵用)和輸出(結構響應)信息,應用各種算法來認識結構系統的參數變化情況。如果把橋梁結構當作一個線性系統來進行參數識別,目前已有較成熟的損傷識別方法。然而,實際橋梁結構,特別是跨海大橋在多數情況下并不能完全作為一個線性系統,如大型跨海大橋,其在局部構件損傷過程中完全是一個時變的非線性系統。但是,由結構檢測發展來的結構損傷識別方法,過去一般不考慮結構損傷的過程,只是針對損傷前后的結構檢測信息來識別損傷,而且大多數損傷識別方法都假設結構處于線性范圍,并不考慮損傷發展的非線性特性。這些方法在簡單橋梁結構和模型試驗中都取得了比較好的損傷識別效果,但是無法真正應用到大型跨海橋梁和實際工程中。實際上,大型橋梁結構由于材料的非彈性變形、邊界條件漸變、支座及節點連接的非線性等因素,再加上大跨橋梁本身的結構非線性,使得結構在荷載和環境溫度等因素作用下,成為一個非線性結構系統,無法應用線性系統損傷識別的經典方法。


    如 Farrar 在對美國 40 多座橋梁的測試分析中,就發現當一座橋梁中的一個重要板梁剛度下降了96. 4 %,導致整個橋梁的截面剛度減少了 21 % 時,結構的頻率損傷指標在損傷前后卻并沒有明顯的變化 。另外,由于實際結構的荷載激勵測試很困難,且代價昂貴,因此大多數損傷識別方法常常通過不考慮系統輸入(激勵力),僅考慮系統輸出(結構響應)來完成損傷識別,以逃避結構外激勵不易觀測的困難,如基于環境激勵的結構脈動測試就試圖從響應數據的統計分析上了解結構參數信息。而實際上,不同的外激勵荷載決定了不同的結構損傷方式和損傷機理,同樣也需要采取不同的損傷識別技術,放棄系統輸入端的信息,僅憑系統輸出端的信息必然會降低對結構系統的認識能力。并且極端荷載所造成的結構突然損傷與致損荷載作用過程有著天然的和必然的聯系,這也要求在跨海大橋的結構損傷識別中必須考慮荷載激勵本身的特征信息。


    因此,跨海大橋結構損傷識別應該更多地針對具體的結構系統外激勵特征,如深入研究強風荷載的特征風譜,并考慮損傷過程和個別易損構件的損傷機理來開展研究,走精細化的分布式損傷識別的研究道路,并且更多地從現場實測數據分析中提升技術方法的精確性,用信息融合的手段來解決系統龐大、信息冗余的問題,從而提高結構損傷識別技術的可靠性和工程可應用性。


    5 結語

 

    鑒于跨海大橋在建設技術方面的超前性、探索性和工程本身的重要性,同時考慮到其所服役的自然環境的相對惡劣性,去構建一個完善的健康監測系統,采取有效的損傷識別方法以實現對橋梁結構狀態的監測和診斷,并對可能出現的損傷和災害進行預測、評估,這已經成為目前大型跨海橋梁建設的客觀需求,同時也是橋梁健康監測研究蓬勃發展的自身要求。然而大型跨海橋梁健康監測的研究還面臨很多需要進一步解決的問題。


    1)優化傳感器測點布置是損傷信息來源的重要保障。目前,傳感器的類型多樣,精度各異,它們能采集到結構運動物理量、力學物理量、狀態物理量等信息。如何在大系統中合理布置這些不同類型和一定數量的傳感器,還需要針對具體的跨海大橋的健康監測策略和所采用的損傷識別方法進行研究。


    2)實際的跨海大橋在自然環境中,監測數據受許多不確定因素的影響,如溫度效應、動力特性的波動等,這些因素引起的測試信號變化與損傷引起的信號變化耦合在一起,使得損傷識別面臨挑戰,還有測試儀器精度和設備干擾也會使得信息失真。因此如何克服環境因素的影響甄別出反應結構損傷狀態的信息還需要進一步研究。


    3)在大型健康監測系統中,如何結合易損構件的危險性給各測試參數設定合理的預警指標閾值是個關鍵問題,這個技術實際上涉及到整個系統中結構分析的精確度、數據監測和損傷識別的準確性以及橋梁管理決策的科學性。在目前已有的監測系統中還沒有很好地解決這個問題。

 

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