桥梁结构健康监测技术研究及应用案例分析

桥梁结构健康监测技术研究及应用案例分析

王策

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摘要: 本文旨在阐述桥梁结构健康监测技术的研究进展及其应用案例。桥梁结构健康监测是保证桥梁安全运行和预防灾害发生的关键手段。文章首先介绍了桥梁结构健康监测技术的概念、重要性及发展历程。随后重点探讨了目前应用较为广泛的监测技术,包括应变监测、裂缝监测、位移监测、振动监测等。并分析了这些技术的原理、优缺点及适用场景。接着,通过实际工程案例,阐述了这些技术在桥梁检测、评估和预警方面的具体应用。最后,对桥梁结构健康监测技术的发展趋势及挑战进行了展望。

关键词:桥梁结构、健康监测、应变监测、裂缝监测、位移监测、振动监测、工程案例

引言: 桥梁是现代交通运输系统的关键基础设施,其安全性和可靠性直接关系到人民生命财产安全。由于自然灾害、材料老化、超载运输等因素的影响,桥梁结构可能会出现不同程度的损伤,严重时甚至导致桥梁垮塌。为了及时发现并预防此类安全隐患,有必要对桥梁结构实施健康监测。

一、桥梁结构健康监测技术概述

桥梁结构健康监测技术是以先进的传感器、数据采集、通信和分析技术为基础,对桥梁结构的完整性、使用性能和安全状况进行定期或实时监测和评估的一种手段。

健康监测的主要目标是及时发现桥梁结构可能存在的损伤隐患,如裂缝、变形、松动等,并根据监测数据对桥梁的剩余使用寿命进行准确评估,为维护、修缮和加固措施的决策提供依据。同时,针对桥梁所处的独特环境条件和使用状态,健康监测系统还可以发出预警,提醒相关人员注意潜在的安全隐患。

常用的桥梁结构健康监测技术包括应变监测、裂缝监测、位移监测、振动监测等。这些技术通过布置在关键部位的传感器,实时或定期获取相关参数的变化情况,并结合数值模拟、人工智能等分析手段,对数据进行处理和解释,从而评价桥梁的结构完整性和安全等级。

随着物联网、大数据、云计算等新兴技术的不断发展,桥梁结构健康监测系统正在朝着智能化、网络化和无线化方向迅速发展,有望实现自动化监测、及时预警和智能决策支持,为桥梁的安全运营提供坚实保障。

二、主要监测技术及原理

主要的桥梁结构健康监测技术包括应变监测、裂缝监测、位移监测和振动监测等。

1. 应变监测

应变监测是通过在桥梁结构的关键部位布置应变传感器,实时或定期获取材料的应变变化情况,用于评估结构的应力状态和潜在损伤程度。常用的应变传感器有电阻应变计、光纤应变计等。应变监测可以有效反映结构内部的应力分布,是评价桥梁承载能力的重要依据。

2. 裂缝监测

裂缝是桥梁结构损伤的直接表现,裂缝监测技术通过在现有裂缝或潜在裂缝区域布置裂缝计或应变芯棒等传感器,测量裂缝的宽度、深度和开口程度的变化,用于评估裂缝的发展趋势和危害程度。常用的裂缝监测方法有应变芯棒法、电测法和光学法等。

3. 位移监测

位移监测是通过在桥梁的关键节点安装位移计或测距仪等传感器,测量桥梁整体或局部的水平位移、垂直位移和倾斜位移等,用于评估桥梁的形体变形和稳定性。常用的位移监测方法有钻孔位移计、静力水准仪测量、GPS测量等。

4. 振动监测

振动是桥梁结构在各种作用力下产生的动态响应,振动监测技术通过在桥梁上布置加速度计、速度传感器等,测量桥梁在正常使用和极端环境下的振动特性,用于评估结构的动力响应、损伤状态和动力特性参数。振动监测数据可用于结构健康评估、参数识别和有限元模型更新等。

三、工程应用案例分析

案例一:青奥大桥健康监测

青奥大桥是深圳市的一座大型钢箱梁斜拉桥,全长1092米,主跨528米。该桥梁建设时采用了全面的健康监测系统,包括应变监测、位移监测、环境监测和视频监测等。其中,采用了大量的光纤传感器对主箱梁、索股和锚碇区等关键部位进行应变监测,并结合有限元模型分析,及时掌握了桥梁的实际应力状态。利用GPS和倾角传感器对主桥主梁的水平位移和垂直位移进行动态监测,及时发现了施工阶段和使用过程中的异常变形。此外,气象环境及交通荷载的监测数据也为桥梁的运营提供了重要依据。

通过健康监测系统,青奥大桥的施工质量和使用性能得到了有效控制,为大桥的顺利建成和安全运营奠定了基础。

案例二:万安大桥振动监测

万安大桥是中国首座大跨度钢管混凝土拱桥,主跨580米。在桥梁设计施工阶段,就对其结构振动特性进行了模拟和实测。施工完成后,又在桥面布置了大量的加速度传感器,持续监测桥梁在正常行车及恶劣天气条件下的振动响应。

长期的振动监测数据表明,万安大桥的振动总体较小并且稳定,但也捕捉到了一些由于温度效应、交通荷载和风振等引起的振动突变情况。通过对这些振动数据的分析,不仅全面评估了桥梁的动力性能,更重要的是及时发现了一些潜在损伤迹象,如局部钢管混凝土开裂等,为后续的检查维修提供了依据。

四、发展趋势与挑战

发展趋势:

1. 智能化监测

未来的健康监测系统将更多地融入人工智能技术,如机器学习、深度学习等,实现对大量监测数据的智能分析和自动建模,提高损伤识别和寿命预测的准确性。同时,智能化系统能够自主学习桥梁状态,并作出合理决策,减轻人工参与。

2. 网络化管理

借助物联网、5G等技术,分散的健康监测子系统将通过无线网络相互连接,形成覆盖全国乃至全球的大规模桥梁监测网络。这种网络化管理将大幅提高数据传输、存储和共享的效率,并支持远程控制和智能决策。

3. 集成化监测

未来的监测系统将不再是单一技术的应用,而是将应变、位移、振动、环境等多种监测手段集成组合,融合各自优势,全方位评价桥梁健康状况。同时,这些系统还可集成状态评估、预警和维护决策等多个功能模块。

4. 新型传感器

随着新型传感器的不断涌现,如石墨烯传感器、纳米传感器等,将为桥梁健康监测带来更高的测量精度和灵敏度。这些传感器尺寸小、成本低、使用寿命长,有望大规模推广应用。

面临挑战:

1. 大数据存储与分析

海量监测数据的存储、传输和分析是未来系统面临的巨大挑战,需要借助云计算等新技术实现高效处理。

2. 精准损伤识别

由于桥梁结构的复杂性,精准识别各类结构损伤并评估其危害程度仍是一个技术难题,需持续攻关。

3. 监测成本与管理

布设健康监测系统的初始投资和运维费用昂贵,且需专业团队管理,这在一定程度上制约了技术的推广应用。

4. 标准规范与人才培养

缺乏完善的标准规范和经验积累,专业技术人才储备不足,这些都是该领域亟需解决的瓶颈问题。

结语: 桥梁结构健康监测技术是保障桥梁安全运营的重要手段,通过对关键部位的应变、裂缝、位移、振动等参数的实时监测,能够及时发现结构损伤和异常情况,为桥梁维修和加固提供决策依据。本文综述了目前应用较为广泛的监测技术原理及工程案例,并对未来发展趋势和面临的挑战进行了展望。

参考文献：

[1]柏云飞.智能传感技术在桥梁结构健康监测中的应用研究[J].石河子科技,2024,(03):55-57.

[2]张敬伟,满新杰.结构健康监测技术在公路桥梁养护中的应用[J].交通节能与环保,2023,19(S1):143-146.