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(上).pdf
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1、桥隧的安全性、耐久性和适用性对保障交通运输具有重要作用。由于桥隧结构规模巨大、构造复杂、影响因素众多,局部单一物理量的监测已难以有效地反映结构整体的劣化进程,需要更先进的结构健康监测技术提供支持。为更全面地把握公路桥隧结构病变和灾变的信息特征,充分满足病变和灾变早期发现、精准监测的技术需求,推动该领域的技术创新与发展,应广大读者要求,本刊特邀东南大学城市工程科学技术研究院院长吴智深教授撰文,对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进行全面介绍,文章共分上下篇,本期刊登上篇,主要介绍结构区域分布传感监测理念、技术及系统构建方面的内容,敬请关注。公路桥隧结构区域分布传感监测技术及病变
2、和灾变早期识别(上)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)摘 要:实时有效地对公路桥隧进行早期精准监测,捕捉结构病变和灾变信息,追踪结构早期损伤并分析损伤演化过程,进而把握维护管理、制订对策的最佳时机,才能达到制订高效、科学的桥隧结构长寿命维护管理策略的目的。为此,研究分析桥隧结构病变和灾变监测技术面临的挑战,介绍适合于桥隧结构病变和灾变早期监测的区域分布传感理念、技术和理论方法。区域分布传感理念是通过结构关键区域的具有一定标距的宏应变分布感知及损伤覆盖,获得与变形转角、应力荷载以及动力特性等有直接映射
3、关系的宏微观结合信息,达到结构损伤精准探测以及结构局部、整体各项参数全面识别的目的。依据相应理念,首先详细介绍具体的结构参数识别方法,并基于宏应变模态的损伤早期识别方法进行分析,进而依据早期精准监测的技术需求,针对拉索断丝、支座老化、水下结构冲刷、边坡滑坡、隧道收敛变形、不均匀沉降、围岩变形等典型病变和灾变,结合实际工程案例介绍具体的桥隧病变和灾变早期监测技术方案。关键词:区域分布传感监测;病变和灾变信息;宏应变模态;早期损伤识别中图分类号:U445 7;U457 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0001 14Early Monitoring of Disease
4、 and Disaster Evolution forHighway Bridges and Tunnels(Part)WU Zhishen(1 International Institute for Urban Systems Engineering,Southeast University,Nanjing 211100,China;2 State Key Laboratory of Safety,Durability and Healthy Operation of Long Span Bridges,Nanjing 211100,China)Abstract:In order to de
5、velop efficient and scientific maintenance and management strategies for bridge and tunnel structures,it is necessaryto accurately monitor the early stages of structural disease and disaster,track the early stages of minor damage,analyze the process of damageevolution,and grasp the best time for mai
6、ntenance and management through real-time and effective monitoring.To achieve this goal,this pa-per analyzes the challenges faced by monitoring technologies for bridge and tunnel structure disease and disaster,and discusses the technicalrequirements for achieving early and accurate monitoring.Based
7、on the technology requirements for structural disease and disaster,an area-wise distributed monitoring,which is suitable for early monitoring of bridge and tunnel structures,is introduced.The concept of area-wise dis-tributed monitoring is similar to the health diagnosis of critical parts of the hum
8、an body.It directly reflects and correlates macroscopic and mi-croscopic information such as structural strain and deflection through macrostrain distribution,and achieves comprehensive identification of lo-第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation TechnologyVol 20 No 4Aug.2023现 代 交 通 技
9、 术2023 年cal and overall structure.Secondly,we introduce in detail specific methods for identifying structural parameters through macrostrain distribu-tion,and early damage identification methods based on macrostrain modal analysis.Furthermore,according to typical diseases anddisasters such as cable
10、breakage,support aging,scouring of underwater structures,slope of landslide,tunnel convergence deformation,une-ven settlement,and rock deformation,specific early monitoring technology solutions for bridge and tunnel disease and disaster are introducedthrough practical engineering cases.Key words:are
11、a-wise distributed monitoring;disease and disaster information;macro-strain mode;early damage identification 桥隧是高速公路路网必不可少的组成部分,是交通运输的重要载体。桥隧的安全性、耐久性和适用性对保障交通运输具有重要作用。为了适应桥隧长期安全服役、高效运行和可持续发展的需求,各国开展了大量研究并制定了一系列针对桥隧维护管理的政策和措施。例如,美国联邦高速公路管理局在 2005 年启动了“桥梁长期性能项目”,旨在通过全美高速公路桥梁的检测和监测数据,促进对桥梁性能老化和退化等结构病变的
12、认识和理解,最终实现桥梁的合理维护并延长其使用寿命。欧盟启动了“可持续桥梁:评估未来的交通需求和更长使用寿命项目”,通过运用先进的监测技术和结构分析技术,制定适合的维护管理措施,以达到延长在役桥梁使用寿命 25%的目标。日本国土交通省提出了“基础设施长寿命化国家基本计划”,该计划的目的是在结构发生致命性损伤前发现问题并及时采取修复和加固措施,从而保障桥梁、隧道等重大基础设施的结构安全,尽可能延长其安全服役期。预计到2030 年,该计划可实现因老化等病变导致的零重大事故的目标。2011 年东日本大地震后,日本进一步提出了“国土强韧化”政策,旨在通过提高维护管理水平等手段,提升桥隧等重大基础设施结
13、构的灾变应对能力,进而建立抗灾韧性化国家体系。我国自改革开放以来,交通运输产业和基础设施得到明显加强。中华人民共和国交通运输部发布的2022 年交通运输行业发展统计公报显示,截至2022 年年底,全国公路桥梁 103 32 万座、8 576 49 万延米,其中特大桥 8 816 座、1 621 44 万延米,大桥15 96 万 座、4 431 93 万 延 米;全 国 公 路 隧 道24 850 处、2 678 43 万延米,其中特长隧道 1 752 处、795 11 万延米,长隧道 6 715 处、1 172 82 万延米。另外,交通运输产业的蓬勃发展也对桥隧结构维护管理的策略提出了更高要求
14、,从传统的事后性维护管理、周期性维护管理,逐步向预防性维护管理,乃至预知性维护管理发展。然而桥隧结构在服役过程中产生病变和灾变的因素众多,同时存在多因素的耦合作用等。这需要借助各种精准的检测和监测手段,获取能够反映结构病变和灾变特征的有效数据,从而通过这些数据对桥隧结构的状态进行识别,进而对已发生和将要发生的病变和灾变因素进行及时预警,并为后续的预防和治理提供有效的数据支撑和依据1。由于桥隧结构规模巨大、构造复杂、影响因素众多,局部单一物理量的监测已难以有效地反映结构整体的劣化进程,更为先进的结构健康监测(structural health monitoring,SHM)技术得到迅速发展。自
15、20 世纪 90 年代以来,发达国家不断开展关于结构健康监测涉及的传感技术以及评估技术的研究探索。目前已基本解决了具有明显损伤或已处于严重损伤状态的工程结构损伤识别、分析与评估问题。然而,对于损伤不明显的早中期阶段,以及处于快速劣化中晚期的安全监测和维护管理仍是当前的公认难题。比如应变通常被认为对结构损伤敏感,但现有的各类应变计包括先进的光纤光栅传感器都属于点式传感器,它们对桥隧等大型结构来说监测过于局部,导致很难就病变和灾变关联的结构状态实施有效的监测。又如加速度计、位移计、倾角仪等监测结构宏观指标的整体监测仪器,理论上损伤后结构的固有频率、位移和转角等宏观指标会变化,但结构宏观指标的监测对
16、结构局部损伤并不敏感,加之噪声等问题,实际工程应用中很难得到有效的监测效果。在评估技术方面,如何建立结构整体和局部多尺度的损伤识别,以及分析多种因素作用下损伤演化规律是桥隧结构健康评估的关键点和难点。然而由于监测技术的不足,加上材料特性的离散性、结构的复杂性和多样性,很难对桥隧结构的健康状态做到及时、科学的分析评估,特别是早期损伤关联的结构响应变化一般很小,目前尚缺乏针对性的监测技术和有效的评估方法。为了加快建设桥隧病变和灾变早期监测的技术系统,本文首先针对早期监测的必要性,分析桥梁和隧道的典型损伤及其病理信息,并对近年来结构健康监测研究的最新工作进行综述。在此基础上,针对国内外结构健康监测研
17、究存在的关键问题,介绍作者所提出的满足大型桥隧结构整体和局2第 4 期吴智深.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(上)部的结构区域分布传感监测理念,以及基于区域分布式监测的结构识别方法。进而针对结构病变和灾变早期精准监测的技术要求,从传感方法、损伤识别原理、监测系统建立方法等方面进行分析。最后,利用宏应变(macro-strain)模态具有对局部损伤敏感的特性,在相关学者针对宏应变模态的实测、应用等研究工作的基础上,阐述各类病变和灾变早期监测解决方案和实施效果。1 结构健康监测目标与研究现状1 1 结构健康监测的目标在过去的三十年中,结构健康监测系统在世界范围内被设计和实施,
18、并继续发展、改进和监测各种类型的工程结构在其服役寿命下的结构性能和运行条件1。结构健康监测是通过自动化监测系统对结构在役状态进行健康评估的过程,通过在结构上布设大规模、多种类的传感网络,实时对传感数据进行分析、处理,诊断损伤并评估结构的安全状态。结构健康监测的核心目标是利用监测数据及早识别结构损伤并评估结构当前和未来的健康状态,及时对结构进行预防性养护,保证结构的安全。1 2 结构健康监测现状在实际工程中对 SHM 存在大量需求,但现有SHM 技术的实际功效受到质疑,尤其在损伤识别方面2 6。为了更好地阐述 SHM 现状,以下将会从传感技术、传感器功能和系统综合性能几个方面来阐述现有技术是否能
19、有效地实现损伤识别。1 2 1 传感技术现状从传感方式和获得的信息上看,可以将现有传感技术分为局部传感技术和整体传感技术。局部传感技术的基本理念是在事先掌握可能发生损伤位置的情况下,通过点式传感器对结构局部损伤的大小、程度、随时间的变化进行监测。常见的点式传感器包括应变计(也包括点式的光纤传感器)、裂缝计、钢筋应力计、位移计等。利用这些传感器可以实现一定范围内结构的局部监测项目。比如在实验室内,可以通过局部传感技术对混凝土构件上探明损伤处或结构局部敏感位置进行监测,以准确地监测其力学性能变化。实际工程中结构受力情况一般比较复杂,且相应结构多由非均质材料构成,对于大尺度混凝土结构或构件,单个应变
20、片很难实现该部位的准确应变测量。通常情况下应对这一难题的方法是尽可能多地在关键区域布置应变片,再对该区域的点式应变求平均值来近似得到区域的平均应变。然而,传统的点式传感器无法实现分布或准分布测量,而光纤布里渊散射等分布式传感技术在精度和动态测试等方面的指标有待提高,因此它们都无法适用于上述高性能、高精度的结构区域分布传感7。整体传感技术的基本理念,是针对事先不知道损伤是否存在或可能发生损伤但位置不明了的结构,实施整体传感。常见的传感器包括加速度计、位移计、倾角仪、GPS(global positioning system,全球定位系统)等,利用这些传感器可以测量结构的加速度、位移和转角等宏观参
21、数。整体传感技术的监测方式包括连续监测方式和定期监测方式,也可以应用于一些特殊要求的现场测试。总体上,结构整体传感技术种类多,工程应用相对普遍。由于各类传感器的测量参数各不相同,通常需要采用数量众多的不同类型传感器以满足大型结构的监测和分析需要,这会导致系统构成错综复杂,为构建有效统一的监管系统带来难度。其次,动态或静态的整体传感技术过于宏观,监测数据与结构损伤相关性弱,未达到结构健康监测实际应用的要求,尤其是测量精度不够和实用性不足的问题突出。如采用拉线式位移计测挠度的相关技术比较成熟,但在实桥测试中由于很难找到测试基点,该方式难以直接应用于桥下为河流或者交通要道的监测对象。又如 GPS 位
22、移测量技术在实际工程应用中基本可以满足厘米级横向静位移的测量,然而对于纵向位移尤其是毫米级纵向动位移,该技术尚无法满足微小变形测量的要求。再如连通管转角测量技术因其操作简单,被广泛应用于桥梁、隧道、边坡等监测系统中,但由于该技术精度相对较低,且易受恶劣天气影响,长期稳定性不足导致不能提供有效的评估依据。又如基于激光的位移传感技术具有较高的短期精度,但激光的发生装置相对复杂且价格昂贵,与此同时它对位移的测量精度同样受到测量距离的影响,为实际应用带来了难度。常规传感监测(局部传感、整体传感)现状如图 1 所示。图 1 常规传感监测(局部传感、整体传感)现状3现 代 交 通 技 术2023 年1 2
23、 2 传感器功能现状在结构监测领域,传感器是实现结构健康监测的关键设备,然而现有的传感器大多只能完成单一的测量任务,如测量应变、位移、加速度等,这使传感器不能同时获得结构不同方面的信息。而且需要部署大量的传感器才能全面监测结构的健康状况,这会增加监测的成本和复杂度,并且在数据采集和处理方面造成困难。另外,结构健康监测需要长期、持续地监测结构的状态,但由于外界环境的影响、传感器自身的寿命以及长期使用带来的疲劳等因素,现有的传感器易出现失效或数据偏差,在现场部署大量传感器时,还需要考虑传感器的可靠性和维护成本等问题。以桥梁为例,作为世界上跨度最大悬索桥的日本明石海峡大桥,它的 SHM 系统使用了当
24、时最先进的 12 类不同目的、不同传感方式的监测系统,基于单一局部或整体传感技术的监测系统如图 2 所示。这些传感器收集的数据类型和频率均不相同,产生的监测数据量很大,要准确识别结构状态,需要对这些数据进行处理和分析,提取结构健康信息并及时报告异常情况。然而,由于数据量大且复杂,桥梁工程师和管理者难以快速找出关键信息,尤其是在识别早期病变或疑难病症时更为困难,这导致监测数据不能充分发挥其应有作用,影响了对于监测技术的信任和认可程度。因此,需要采用智能化监测技术来协助桥梁工程师和管理者解决相应问题,提高监测数据的处理效率和准确性,保障桥梁和隧道的健康和安全。图 2 基于单一局部或整体传感技术的监
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