淺談橋梁結構測試技術的新發(fā)展和應用

1、淺談橋梁結構測試技術的新發(fā)展和應用【摘要】橋梁的安全性已越來越受人關注，重大的老橋、新橋都迫切需要能長期、隨時地對橋梁安全進行監(jiān)測的系統(tǒng)。本文結合一系列工程應用，介紹了光纖傳感器、磁致彈性傳感器、全站儀、GPS系統(tǒng)、實時安全監(jiān)測系統(tǒng)等先進設備、系統(tǒng)的功能、性能及發(fā)展方向。【關鍵詞】橋梁 測試技術 安全監(jiān)測 新發(fā)展1引言1993年，美國的57.5萬座鋼筋混凝土橋梁中，有半數(shù)以上發(fā)生了嚴重的鋼筋銹蝕破壞，其中40%的橋梁承載力不足。1998年，美國60萬座鋼筋混凝土橋中，被列入修復計劃的費用達到2000億美元，為當年建橋費用的4倍。我國雖無該方面的統(tǒng)計資料，但隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，交通運輸能力快速增

2、長，橋梁超負荷運輸以及氣候環(huán)境等因素的作用，使橋梁安全性和耐久性遭到嚴峻的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外現(xiàn)狀表明，橋梁不僅存在量大面廣的基本維護，而且迫切需要能長期、隨時地預報橋梁工作狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，來指導橋梁的安全使用和科學維護，使管理和使用納入信息科學的軌道，同時又能為設計提供準確的第一手資料。最近十多年里，我國建成的多座大橋跨徑越來越長，級別越來越高，對于這些現(xiàn)代化大橋再采用傳統(tǒng)的測試方法難度將越來越大。大規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展和應用，為測試技術展示了柳暗花明般的前景，許多用于尖端科技的先進技術、設備和系統(tǒng)逐步滲透到橋梁測試領域，使橋梁測試技術與橋梁的建造互相提攜、共同發(fā)展。2橋梁結構測試技術的發(fā)

3、展成橋以后的結構測試，不管是對新橋進行質(zhì)量鑒定還是對老橋進行維護或改造方面的承載力安全性鑒定，采用的試驗方法通常是常規(guī)的靜載試驗、動載試驗或振動試驗，具體測試手段一般采用電測技術和一些常用的表具，本文將測試內(nèi)容、常用的一次儀表和設備及其可達到的精度和測試范圍列于表1。表1傳統(tǒng)橋梁結構測試設備測試內(nèi)容常用儀表 、設備可達到的精度及測試范圍應力、應變電阻應變計、振弦式應力計力傳感器精度1范圍±2000030000撓度、變位千分表、百分表、撓度計、位移計、連通管、經(jīng)緯儀、水準儀連通管配超聲波液位計可達0.1mm頻率、振型擺式拾振器伺服式拾振器、大質(zhì)量壓電式拾振器f>1Hzf<0

4、.5Hz裂縫裂縫尺、讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡分辨率0.01mm混凝土強度回彈儀、超聲波檢測儀誤差15%索力拾振器測頻率、鋼絲振弦應變儀采用傳統(tǒng)的測試方法，每一次都需要投入大量的人力和物力，需布設一定量的應變片和傳感器、完成系統(tǒng)的配置和線路的連接、準備車輛和載重物、測試過程中還要進行交通管制等，由于電磁干擾及潮濕溫差環(huán)境等因素的影響，這一系統(tǒng)不能長期放置，測試往往是一次性的，所測結果是瞬間的，不能長期、實時地對橋梁進行監(jiān)測，故采用傳統(tǒng)測試方法所得的數(shù)據(jù)無法完全真實地反映橋梁的工作狀態(tài)。迫切需要創(chuàng)新和建立一種新的先進的實時安全監(jiān)測系統(tǒng)：該系統(tǒng)不僅需要更新改進傳感器，使多路傳感器持有不同的探測能力，能長

5、期工作，而且系統(tǒng)應能自動記錄局域數(shù)據(jù)并連續(xù)高速地傳送數(shù)據(jù)，又能運用無線技術把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心，通過分析程序快速計算分析，提供大橋在各種工作狀態(tài)下的各項數(shù)據(jù)資料，隨時顯示結構的承載能力和安全儲備，并對結構進行安全性和壽命評估。這一系統(tǒng)對傳感器的要求是苛刻的，不僅因為傳感器是測試系統(tǒng)中最為重要的一次儀表，更要求它除了滿足測試必須的性能外，還要有耐久性、工作穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力強、易于維護和更換，甚至應能自檢。顯然，傳統(tǒng)電測技術中采用的一次儀表對于長期、連續(xù)、實時觀測存在或多或少的困難。新技術的飛速發(fā)展，給橋梁測試提供了各種新手段：光纖傳感器將越來越多地運用到橋梁的監(jiān)測領域，并大有取代傳統(tǒng)電阻應

6、變片的趨勢；而價格昂貴的全站儀、紅外測距儀或GPS系統(tǒng)在撓度、變位的測量上也將越來越得到普遍應用；頻率、振型、索力等也大量采用高性能加速度計或測力傳感器（如荷載銷和壓力盒）。這些儀器的共同特點是輸出信號不再是傳統(tǒng)意義上的模擬電信號，而是光波或數(shù)字電信號，這類儀器大多依賴進口，故價格昂貴。監(jiān)測系統(tǒng)中采用的儀表、設備及其性能見表2。表2 橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)中采用的測試設備測試內(nèi)容采用儀表 、設備可達到的精度及測試范圍應力、應變光纖傳感器精度1范圍0000撓度、變位全站儀、紅外測距儀GPS系統(tǒng)、QY型傾角儀GPSRTK定位精度平面為10mm，高程為20mm頻率、振型伺服式拾振器、大質(zhì)量壓電式拾振器裂縫

7、聲發(fā)射檢測儀、光纖傳感器索力主纜拉力鋼絲振弦應變儀、磁致彈性傳感器、測力傳感器磁彈儀精度<1%3橋梁結構測試中的新型傳感器、新技術及其應用對于橋梁結構，應力應變是表征構件受力水平最基本直接的物理量，是構件的強度指標。在監(jiān)測系統(tǒng)中除了可以采用性能好的應變計外，發(fā)展趨勢將采用光纖傳感器、磁致彈性傳感器等性能更優(yōu)的儀器進行長期測試。而實際使用情況下橋梁的撓度、變位是判斷其是否處于正常狀態(tài)的重要標志，是結構的剛度指標。尤其對大型的柔性橋梁，動撓度、動位移采用傳統(tǒng)的測試儀器測量是非常困難的，而全站儀、特別是GPS系統(tǒng)正解決了這一難題。3.1 光纖傳感器及其應用光纖傳感器輕巧靈便、不導電、抗腐蝕、抗

8、電磁干擾能力強、對被測介質(zhì)影響小、具有極高的靈敏度和分辨率、便于復用、便于成網(wǎng)和遙測，更進一步還能進行自檢以判斷本身工作狀態(tài)是否正常，隨著技術的成熟和推廣，其成本是低廉的。這些獨特的性能使光纖傳感器成為橋梁檢測技術的有效手段。光纖傳感技術是利用光纖對某些特定的物理量敏感的特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成直接可測量信號的技術。由于光纖不僅可以作為光波的傳播媒介，而且光波在光纖中傳播時表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、應變、磁場、位移等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。用于測量裂縫的光纖傳感器，是將光纖傳感器埋設在混凝土構件內(nèi)

9、，裂縫的擴展導致光纖傳感器外部機械特性的變化，從而使光纖傳感器中的光強輸出發(fā)生劇烈變化，通過檢測光強輸出的變化就可以監(jiān)測混凝土結構內(nèi)應力的變化和裂縫的發(fā)生、發(fā)展，實時檢測或預報大橋的結構狀態(tài)。此種埋入式光纖傳感器一般是將光纖置入金屬套管內(nèi)埋入混凝土中，在混凝土搗實以后將金屬套管慢慢抽出；另一種方法是在光纖外包一條與混凝土熱膨脹系數(shù)一致的金屬細管，將金屬細管兩端與光纖粘結起來，外部荷載通過金屬細管作用在光纖上；同樣也可將光纖傳感器先埋入小型混凝土預制構件中，然后將此預制構件放入主體結構內(nèi)部。加拿大Rotest公司研制的Fabry-Perot光纖傳感器可用于檢測橋梁結構的應力、應變、結構振動、結構

10、損傷程度、裂縫的發(fā)生和發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)，并取得了較好的測試結果。這種基于白光干涉理論的光纖傳感器具有很高的精度和重復性，可安裝在材料的表面或埋入結構內(nèi)部，進行連續(xù)監(jiān)測。瑞士開發(fā)出的光纖應變/變形傳感器，傳感頭可埋入混凝土結構內(nèi)部或粘貼于外部。在與傳統(tǒng)的電檢測技術的對比測試中，光纖傳感器不僅一直能令人滿意地工作，而且二者的測試結果顯示了較好的一致性。加拿大Taylor橋上采用了一些碳纖維增強塑料（CFRP）作預應力加勁材料，并布置了光纖傳感器網(wǎng)絡，整個光纖傳感器網(wǎng)絡由65個光纖傳感器、現(xiàn)場永久性儀器和一條電話線組成，電話線連接到工程辦公室對交通荷載作用下的結構進行連續(xù)監(jiān)測。光纖傳感器被安裝在鋼筋、

11、CFRP筋上以及用CFRP加勁的橋面板和防撞墻上。安裝時需進行表面處理，采用環(huán)氧樹脂粘帖，與普通電阻應變片粘帖技術類似。每個光纖傳感器引線被安在一根不銹鋼管子內(nèi)，把引線引入到梁翼板上的終端盒內(nèi)，再把它連接到橋墩位置處的一個主引線盒上。這個主引線盒匯集了來自各跨所有梁的引線，并把熔接的接頭連到主光纜上，該主光纜連接到結構另一端的小屋內(nèi)。應變采用一臺光纖應變檢測儀進行記錄，安裝在中跨預應力筋上的光纖傳感器將梁所經(jīng)歷的應變幅值傳送到數(shù)據(jù)處理中心并記錄下來。光纖傳感器欲在目前大范圍推廣使用，還存在一些問題：光纖傳感器和轉(zhuǎn)接儀器的選擇，傳感器系統(tǒng)的標定、指標和實施等標準以及標準化技術的缺乏，現(xiàn)場安裝、測

12、量和后期維護、更換等，但畢竟研究應用的努力已展示了其廣闊的前景。我國也于上世紀90年代開始進行這方面的研究，清華大學、同濟大學、重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學等院校已對光纖傳感器應用于橋梁檢測進行了理論研究，并在實驗室中做了樣機試驗，取得了較好的效果。3.2 磁致彈性傳感器及其應用O型磁致彈性傳感器主要由兩個圓筒形線圈構成，一個主線圈，另一個次線圈，鋼纜穿過主線圈但不能接觸，通過磁導率測量方法，可以獲得鋼纜磁導率和應力、溫度之間的關系。磁致彈性傳感器利用磁通量的變化與鋼纜應力改變有關這一特性而研制成功。鋼纜中的磁通量大小由主線圈感應，次線圈測量，同時需用溫度傳感器進行溫度補償。江陰長江大橋主纜索股的

13、拉力監(jiān)測即采用磁致彈性傳感器，將傳感器同Dynamag CB5控制儀相連，通過對放電脈沖激勵進行數(shù)字處理，再由Rs232傳輸?shù)较噜彽耐庹?。各控制儀與一個參考傳感器相連接，作為儀器的檢查和對磁質(zhì)在某一長時間內(nèi)變化的校正。外站在獲得傳感器的數(shù)據(jù)后，再傳給工作站用于顯示，繪制曲線報警及存儲。磁致彈性傳感器需要在施工階段預先安裝，且質(zhì)量控制較困難，也比較容易損壞，對老橋監(jiān)測顯然是不適用的。為此，美國伊利諾斯大學正在研制一種結構為C型偏轉(zhuǎn)線圈的新型磁致彈性傳感器，可以在使用時隨時安裝，實驗室證明這種傳感器能夠直接精確地進行應力測量。 3.3 自動照準全站儀及其應用 自動照準全站儀帶有紅外激光探頭和伺服電

14、機驅(qū)動的自動跟蹤裝置，能進行高精度光學對點，自一個點追蹤另一個移動的活動目標棱鏡，逐個進行放樣、變形監(jiān)測、重復測址等。操作時只需將光學瞄準鏡照準反射棱鏡，一旦反射棱鏡進入目視場，儀器就自動精密對焦，無須再觀看目鏡或?qū)δ繕诉M行調(diào)焦。全站儀具有雙向通信功能，可將測量數(shù)據(jù)傳送給計算機，也可接收主機的指令，巡回測量各測點的三維坐標，并與初設值進行比較，從而得出大橋各點的位移和撓度。江陰長江大橋主梁的外形和位移即采用萊卡全站儀進行測量。測點布置在主梁兩側底部，在相應的點位布置面向全站儀的反射器，測量時全站儀自動追蹤反射器，然后鎖定，讀取有關位置的數(shù)據(jù)。外站根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算，確定每一對反射器的x、y、z坐

15、標平均值，完成全部反射器坐標值計算后，外站形成一個實時統(tǒng)計分析結果，提供出平均值、最大值、最小值、標準差以及最大、最小值出現(xiàn)的時間。統(tǒng)計數(shù)據(jù)每小時向工作站傳遞一次，以圖形顯示橋梁的外形和移動。全站儀置于南塔的東肢上，含有自動傾斜糾正功能，在±347范圍內(nèi)的傾斜自動糾正，當塔的傾斜超過這一范圍，則儀器停止運作需重新設定。系統(tǒng)還設計了測定全站儀自身發(fā)生移動的裝置，利用設在橋外的兩個外測站進行參考測量，從而修正。3.4 GPS系統(tǒng)及其應用GPS系統(tǒng)（全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）是實時安全監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，主要用于測試橋梁索塔軸線空間位置，測量主梁撓度，因為這兩項指標是衡量大橋是否處于正常營運狀態(tài)

16、的一個重要標志。GPS系統(tǒng)的硬件包括：GPS測量儀（GPS天線和接收器）、接駁機、信息收集總控制站、光纖網(wǎng)絡、GPS計算機系統(tǒng)和顯示屏。GPS測量可以做到各個測點的三維坐標同步觀測，避免了傳統(tǒng)測量中信號間不同步的缺陷，而且在測量前無須調(diào)零。清華大學于2000年在廣東虎門大橋上安裝了7臺GPS接受機，采用環(huán)境脈動法進行動力測試，結合有限元分析，監(jiān)測到該大跨懸索橋連續(xù)實時的位移變化，分析得出大橋的固有模態(tài)，驗證了抗風抗震設計和所建立的有限元，說明GPS用于柔性大跨橋梁的安全性檢測是可行的。香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座跨海大橋分別在主梁兩側和橋塔頂部共安裝了27個GPS接受器，配有24

17、顆人造衛(wèi)星跟蹤通道，以雙頻同步跟蹤測量12顆衛(wèi)星的偽距與全波長的載位相位，通過每秒10次定點實時測量，計算出橋身主軸線和橋塔塔頂?shù)娜S瞬間位移和橋身扭轉(zhuǎn)振動的時程數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)和圖象處理后，顯示屏上可顯示出全橋?qū)崟r擺動的活動圖象。所有工作在2秒內(nèi)就可全部完成。4 橋梁結構實時安全監(jiān)測系統(tǒng)及其應用橋梁實時安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由五個子系統(tǒng)組成并通過網(wǎng)絡聯(lián)系而運作，五個子系統(tǒng)為：傳感器（信息采集）系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)、系統(tǒng)控制和反饋。其系統(tǒng)控制見圖1、圖2。實時安全監(jiān)測系統(tǒng)是一長期在線的監(jiān)測系統(tǒng)，不僅如上所述可以進行靜態(tài)、動態(tài)狀況下的力、應變、位移等測量，而且可以測試作為結構固有

18、特征的頻率、振型、振幅等動態(tài)參數(shù)，更為車輛、溫度、風力、地震等的實際作用取得寶貴的第一手資料。世界上第一套全橋遠程監(jiān)測系統(tǒng)是用在美國威斯康辛州一座已有65年歷史的提升式橋上，用以監(jiān)測已將達到設計壽命的該橋梁裂縫擴展情況以及其它狀態(tài)變化。香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座大橋上安裝了共有900多個傳感器的實時安全監(jiān)測系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)完成后不久又增裝了GPS系統(tǒng)，規(guī)?？胺Q世界之最。主要監(jiān)測內(nèi)容包括橋址處風速和風向，橋址處環(huán)境溫度和橋梁結構上溫度分布，車輛荷載及其分布，地震荷載；橋梁結構的動力特性，主梁各控制部位的應力和位移狀態(tài)，拉索索力，主梁及索塔軸線的空間位置；進行結構評估，評估大橋即時

19、的結構可靠度。主跨1385m的江陰長江公路大橋，結構安全監(jiān)測系統(tǒng)由1臺工作站和8臺遠程外站通過以太光纖局域網(wǎng)連接而成。工作站置于大橋的監(jiān)控中心，提供系統(tǒng)與操作人員的界面，便于完成系統(tǒng)參數(shù)的操作，并對外站接受到的統(tǒng)計處理和報警數(shù)據(jù)進行存儲和顯示；外站布置在橋上負責全部傳感器和分系統(tǒng)的監(jiān)測，其運作由數(shù)據(jù)庫控制，不但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ髡局疤幚硭惺占降挠嘘P數(shù)據(jù)，還可以傳輸有關系統(tǒng)故障的信息，工作站則可向外站及時發(fā)出停止傳輸或重新傳輸數(shù)據(jù)等指令。工作站可以根據(jù)擁有的數(shù)據(jù)進行表格顯示、圖形顯示和數(shù)據(jù)顯示，針對所設定的各類允許參數(shù)進行多級報警和提示，并可同大橋塔錨的監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合起來，

20、對大橋的結構安全進行綜合分析，以實現(xiàn)大橋正常營運和維護。目前實時安全監(jiān)測系統(tǒng)尚沒有能力對大橋混凝土和鋼構件的氧化、腐蝕、老化進行長期、實時監(jiān)測的有效手段。橋梁實時安全監(jiān)測系統(tǒng)研究發(fā)展比較早的國家是加拿大、英國、美國、日本等發(fā)達國家，我國的一些大橋上雖已采用，但大多是由國外設計并布設，成本之高自不必說，在這方面，迫切需要投入大量人力、物力進行研發(fā)。5 結語1. 橋梁實時安全監(jiān)測系統(tǒng)因其具有長期、實時地提供大橋在各種工作狀態(tài)下的各項數(shù)據(jù)資料，隨時顯示結構的承載能力和安全儲備，對結構進行安全性和壽命評估的優(yōu)點，將在國內(nèi)外得到廣泛應用。2. 由于高新測量技術、計算機技術和通訊技術的不斷發(fā)展和應用，橋梁實時安全監(jiān)測